Evaluación del desempeño de protocolos de control de acceso al medio para comunicaciones máquina a máquina (M2M)

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(1)Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. Título del Trabajo: “Evaluación del desempeño de protocolos de Control de Acceso al Medio para comunicaciones Máquina a Máquina (M2M)”. Autor: Miguel Alejandro Otero Rojas Tutor: Dr. Erik Ortiz Guerra. , Junio de 2018 Año.

(2) Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios. Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) i. PENSAMIENTO. Cualquier “TECNOLOGÍA” lo suficientemente avanzada es indistinguible de la “MAGIA”.. Arthur C. Clarke..

(4) ii. DEDICATORIA. “A mis padres y a mi novia, que son los verdaderos protagonistas de este proyecto, por guiarme con todo su amor y facilitarme todo cuanto tuvieron a su alcance”..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A mis padres, por apoyarme incondicionalmente para que pudiera realizar este proyecto. A mi novia, por su dedicada comprensión, que me sirvió de mucho para lograr con éxito este trabajo. Al Dr. Erik Ortiz Guerra, mi tutor, por brindarme mucho de su tiempo, sus conocimientos y experiencias como profesional, para llevar a vía de hecho esta investigación. A mi primo, Osvany y a mis amigos: Zedeño, El Rubio y El Cadete, por ofrecerme su ayuda cuando la necesité en el trayecto de mi carrera..

(6) iv. RESUMEN. El IoT tiene como objetivo limitar las interacciones de los hombres con los equipos de su entorno, proporcionándole a estos últimos, capacidad de comunicación. La base del Internet de las Cosas son las Comunicaciones M2M, pues son las que garantizan la interacción entre los dispositivos. Una características de los escenarios M2M, es la presencia de muchos equipos comunicándose entre sí. Esto, unido a que la comunicación se realiza a través del mismo canal, provoca la necesidad de utilizar protocolos MAC, que garanticen el empleo ordenado y eficiente del canal. En la presente investigación se evalúa el desempeño de los protocolos Aloha, Aloha Ranurado, FASA y DPCF mediante su simulación en MatLab. Los resultados de las simulaciones demuestran que el DPCF presenta el mejor rendimiento energético y garantiza que todos los paquetes de datos transmitidos, arriben de forma correcta. Por su parte el Aloha Puro y el Ranurado se ven muy afectados por el incremento de las colisiones, pues estas producen la caída de su Goodput. Por último el FASA aunque no las erradica en su totalidad, logra disminuir considerablemente el número de colisiones, logrando así un buen rendimiento energético..

(7) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 Organización del informe ................................................................................................ 4 CAPÍTULO 1. 1.1. Internet de las cosas y Comunicaciones M2M .................................. 5. Definiciones de IoT................................................................................................ 5. 1.1.1. Evolución del IoT ............................................................................................ 7. 1.1.2. Áreas de aplicación del IoT .......................................................................... 8. 1.2. Comunicaciones Máquina a Máquina .............................................................. 11. 1.2.1. Características de las Comunicaciones M2M y los entornos en que se. desarrollan................................................................................................................... 11 1.3. Diferencias entre M2M y el IoT ......................................................................... 12. 1.4. Dispositivos utilizados en las Comunicaciones M2M .................................... 13. 1.4.1. Características de los dispositivos M2M .................................................. 13. 1.5. Orden para la implementación óptima de redes M2M .................................. 13. 1.6. Retos de las Comunicaciones M2M: ................................................................ 14. 1.7. Control de Acceso al medio (MAC) .................................................................. 16. CAPÍTULO 2.. Protocolos MAC para Comunicaciones M2M .................................. 17. 2.1. Modelo del escenario de trabajo ................................................................... 18. 2.2. Aloha .................................................................................................................. 18. 2.3. Aloha Ranurado o Slotted Aloha ................................................................... 20.

(8) vi 2.4. Slotted Aloha modificado para comunicaciones M2M (Fast Adaptive. Slotted Aloha (FASA)) ............................................................................................... 21 2.5. DPCF ( Distributed Point Cordination Function ) ........................................ 24. 2.6. Requerimientos de los protocolos MAC para comunicaciones M2M ...... 27. CAPÍTULO 3.. Resultados y discusión ........................................................................ 29. 3.1. Entorno de simulación: ....................................................................................... 29. 3.2. Resultados del Protocolo Aloha. ....................................................................... 30. 3.3. Resultados del Aloha Ranurado o Slotted Aloha ........................................... 33. 3.4. Resultados del FASA .......................................................................................... 35. 3.5. Resultados del DPCF ......................................................................................... 38. 3.6. Consideraciones Finales del Capítulo.............................................................. 41. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 43 Conclusiones .................................................................................................................. 43 Recomendaciones ......................................................................................................... 44 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 45 ANEXOS .............................................................................................................................. 47 Anexo I. Productos del IoT que se pueden encontrar en el mercado ................. 47.

(9) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. El mundo de las tecnologías de la información y las comunicaciones está en permanente transformación, una de las olas tecnológicas que está en pleno desarrollo en la actualidad es la transición del Internet de las Personas al Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés), cuyo potencial se encuentra en la capacidad de combinar datos con personas, procesos y objetos, a partir de redes de comunicaciones, sensores y procesos analíticos. Se están desarrollando aplicaciones que harán más fácil la vida de las personas, mejorarán los servicios públicos y aumentarán la seguridad de la información. Los objetos tendrán con el pasar del tiempo cada vez más sensores que se comunicarán con un sistema inteligente y desencadenará nuevas acciones. Las redes inteligentes o Smart Grid poseen la capacidad de mezclar varios protocolos como el 802.11, el 802.15.1 y el 802.15.4 para establecer comunicaciones entre sus componentes, dentro de estas comunicaciones, las que se realizan Máquina a Máquina juegan un papel fundamental, ya que el objetivo principal del IoT es que los equipos tengan la capacidad de comunicarse entre sí, para realizar acciones en las cuales anteriormente se necesitaba la presencia de las personas y de esta manera, hacer más fácil y cómoda la vida de los seres humanos. Las redes celulares son un ejemplo práctico de la importancia de la comunicación M2M, ya que en todas ellas, las comunicaciones necesitan que los terminales estén conectados a una estación base o nodo, a veces, esto resulta extremadamente ineficiente y provoca un alto consumo de recursos, especialmente cuando los dispositivos se encuentran en lugares cerrados en los que hay grandes cantidades de personas como: en el interior de un edificio, una oficina o un estadio. En estos casos el número de dispositivos involucrados puede ser muy grande, por lo que es más factible que los dispositivos puedan comunicarse entre sí; los avances de las comunicaciones M2M y las tecnologías LTE 4G (en inglés Long Term Evolution).

(10) INTRODUCCIÓN. 2. posibilitan la interacción directa entre dispositivos, resolviendo de esta manera los problemas mencionados anteriormente. En la mayoría de los casos las comunicaciones M2M están presentes en escenarios en los cuales el canal de comunicaciones es compartido, esto provoca que sean necesarios mecanismos de Control de Acceso al Medio (MAC por sus siglas en inglés) que garanticen el empleo del canal de manera ordenada y eficiente. El protocolo de control de acceso al medio adecuado para las comunicaciones M2M es un problema aún sin resolver, en los últimos años han sido desarrollados diferentes protocolos MAC, con el objetivo de lograr un alto desempeño de estas comunicaciones. En investigaciones recientes diferentes autores como: Chenxi ZHU, Xin LIU, Richard J. LA, Youguang Zhang y Huasen Wu en [1] y [2] han desarrollado variantes de protocolos conocidos como el ALOHA, así como otros autores han desarrollado protocolos, que poseen características especiales para hacer efectiva la comunicación entre máquinas, como por ejemplo el DPCF. Cada uno con sus ventajas y sus limitaciones; pero no son comunes las investigaciones que contengan la recopilación de varios de ellos, pues en la mayoría de los casos son tratados de forma individual. Por las cuestiones expuestas anteriormente, surge como problema científico de la investigación a realizar: ¿Qué protocolo MAC usar en el diseño de una red con comunicaciones Máquina a Máquina (M2M)? Para responder a la interrogante planteada, se define como Objetivo General de la investigación:  Evaluar el desempeño de algunos protocolos MAC usados en las redes con comunicaciones Máquina a Máquina (M2M). Para dar cumplimiento al objetivo general se proponen los siguientes Objetivos Específicos:.

(11) INTRODUCCIÓN. 3.  Describir las características del IoT y las Comunicaciones M2M.  Exponer las características de los protocolos usados en las redes con comunicaciones M2M.  Realizar la simulación de los protocolos en MatLab.  Analizar los resultados de las simulaciones.  Identificar las principales fortalezas de cada uno de los protocolos. Los Objetivos específicos están destinados a dar respuesta a las siguientes Preguntas Científicas:  ¿Por qué es tan popular el Internet de las Cosas en la actualidad?  ¿Por qué son importantes las comunicaciones M2M para el Internet de las Cosas?  ¿Cómo evaluar el rendimiento de los protocolos para comunicaciones M2M en MatLab?  ¿Qué parámetros se deben tener en cuenta para evaluar el rendimiento de los protocolos? La novedad científica que pretende aportar esta investigación es proveer a los investigadores del tema de un material que reúna las principales características de algunos protocolos MAC para comunicaciones M2M, así como un estudio comparativo de ellos, que servirá de base para elegir cuál de ellos usar en el diseño de redes inteligentes..

(12) INTRODUCCIÓN. 4. Organización del informe El informe de la investigación se estructurará en introducción, índice, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos.  CAPITULO I “Internet de las Cosas y Comunicaciones M2M”: Será destinado a la caracterización del Internet de las Cosas y las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M), abordando temas como: su importancia, aplicaciones, características y diferencias entre ambos términos.  CAPITULO II “Protocolos MAC para Comunicaciones M2M” Descripción del escenario a utilizar, discusión y descripción de distintos protocolos MAC a emplear para implementar las comunicaciones M2M.  CAPITULO III “Resultados”: Análisis de los principales parámetros que se pueden emplear para estudiar el desempeño de los protocolos MAC en estas redes, estudio de los resultados obtenidos para cada uno de los protocolos MAC simulados y discusión de los mismos..

(13) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 5. CAPÍTULO 1. Internet de las cosas y Comunicaciones M2M. Desde su origen en 1969, cuando se estableció la primera conexión de computadoras conocida como ARPANET entre tres universidades en Estados Unidos [3], el INTERNET ha ido evolucionando a pasos agigantados, trayendo consigo un fuerte impacto sobre la educación, las comunicaciones, las empresas, la ciencia, el gobierno y la humanidad. El uso potencial que podamos darle a Internet evoluciona con el tiempo: el comercio electrónico, las redes sociales, los servicios multimedia por internet son ejemplos de cómo fue creciendo la red. Sin lugar a dudas es una de las más importantes creaciones de la humanidad y está en constante transformación. En la actualidad el INTERNET está envuelto en una transición que será un enorme salto en su capacidad para reunir, analizar y distribuir datos que podemos convertir en información, conocimiento y en última instancia, sabiduría, por lo que es de gran importancia. Este paso evolutivo es conocido como el Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) [4]. 1.1 Definiciones de IoT Internet de las Cosas (IoT) abarca una serie de dispositivos y tecnologías que junto a Internet, omnipresente en todos los rincones del mundo, está afectando la vida cotidiana de formas inimaginables. Vivimos en una era en la que una gran variedad de dispositivos están conectados a través de internet, y por ende, entre sí. Pequeños sensores permiten medir desde la temperatura de una habitación hasta el tráfico de taxis en una ciudad, a diario cámaras de vigilancia velan por la.

(14) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 6. seguridad de los edificios y los paneles del metro en las grandes ciudades del mundo, indican el tiempo que falta hasta la llegada del próximo tren. Cada vez más objetos están. siendo. integrados con. sensores, ganando capacidad. de. comunicación, y con ello, las barreras que separan al mundo real del virtual desaparecen [5]. El término IoT ha sido definido por varios autores de muchas formas diferentes, Vermesan en [6] define que IoT es simplemente una interacción entre lo físico y lo digital. En [7] se indica que el mundo digital interactúa con el mundo físico usando una enorme cantidad de sensores y actuadores, IoT es un paradigma en el que la capacidad de cómputo y comunicación están incrustadas en cualquier tipo de objeto concebible. Otra definición en [8] plantea, que el IoT es la evolución de lo que conocemos como Internet, añadiendo una interconectividad más extensa, una mejor percepción de la información y servicios inteligentes más completos. Queda ilustrado en la Figura 1.1 que el IoT representa el punto de convergencia entre sensores, actuadores, procesos, usuarios y por supuesto, la conectividad.. Figura 1.1: Concepto de IoT.[8]. Múltiples sensores se pueden unir a un objeto o dispositivo, para medir una amplia gama de variables físicas o fenómenos y luego transmitir todos los datos a la nube, a través de sus interfaces de comunicación, utilizando protocolos como WiFi, Zigbee, Bluetooth, entre otros; para que los usuarios puedan tener acceso a ellos en cualquier momento y así poder tomar las decisiones pertinentes. Por lo tanto,.

(15) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 7. podemos plantear que IoT es una nueva forma de entender internet [5], que agrupa un gran número de tecnologías y permite a muchos dispositivos electrónicos interactuar con su entorno, recogiendo información del mismo o produciendo acciones para modificarlo. 1.1.1 Evolución del IoT La expresión “Internet de objetos interconectados” fue acuñada a principios de 1999 por Kevin Ashton, pionero en tecnología, quien en ese entonces se desempeñaba como gerente auxiliar de marcas en Procter & Gamble [9]. En el año 2010 el número de objetos físicos cotidianos y dispositivos conectados a Internet fue de alrededor de 12,5 mil millones. En la actualidad hay cerca de 25 mil millones de dispositivos conectados a la IoT. Se espera que en 2020 el número aumente a más de 50 mil millones. En [10] se estima que América Latina exhibirá una tasa de crecimiento anual de IoT de 26,95% durante el período 2014 – 2024. En esta década el total de líneas pasará de alrededor de 14,6 millones hasta cerca de 160 millones a nivel regional. En la Figura 1.2 se muestran los datos mencionados anteriormente sobre el crecimiento del IoT en América Latina con respecto a varios sectores como los autos, la salud, los hogares, las industrias y las ciudades, con los cuales las personas se relacionan a diario.. Figura 1.2: Proyección de conexiones IoT para América Latina [10]..

(16) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 8. El Internet de las Cosas permite el desarrollo de varias acciones de forma automática, en las que anteriormente, se necesitaba la presencia de las personas. Esto se logra a través de redes inteligentes o Smart Grids, las cuales permiten que sean conectados los objetos de uso cotidiano ya equipados con sensores y actuadores, para poder obtener los datos brindados por ellos y ser utilizados en cada una de las aplicaciones diseñadas. 1.1.2 Áreas de aplicación del IoT Las posibilidades de aplicación del IoT son muy variadas, abarcando prácticamente todos los campos de la vida cotidiana de cualquier ser humano. Las aplicaciones que mayor protagonismo y evolución están alcanzando son: Agricultura y ganadería, tecnología vestible (Wearables en inglés), Industrial IoT (IIoT), automotores, salud, domótica y las ciudades inteligentes. A continuación se detallarán algunas de las aplicaciones anteriormente mencionadas: Agricultura y ganadería: La agricultura tradicional ha aplicado durante años las mismas herramientas y procesos. El sector agrícola se ha percatado del gran potencial que propone el IoT, pues permite facilitar el trabajo diario, reducir pérdidas, además de mejorar el rendimiento y la calidad de los productos. A través de las nuevas tecnologías se puede obtener información precisa y en tiempo real de diferentes parámetros como: agua, suelo, temperatura, aire, entre otros. Las principales aplicaciones en esta área son el control automático del riego, la fertilización y el control de la temperatura. Automotores: El sector automotor puede utilizar el IoT para facilitar el mantenimiento de sus productos y aumentar la información que los usuarios reciben de sus automóviles. Actualmente los vehículos ya cuentan con sensores que controlan el nivel de aceite, la temperatura de agua del motor, la presión de aire en los neumáticos, entre otros..

(17) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 9. Salud: Objetos con bio-sensores que analicen distintos factores relacionados con la salud, pueden ayudarnos a llevar una vida más sana y prevenir enfermedades e incidentes. Se puede controlar el ritmo cardíaco, el nivel de glucosa en sangre, las fases de sueño y la cantidad de actividad física realizada en el día. Otra aplicación de la salud que puede verse beneficiado por el IoT es el cuidado a personas de la tercera edad, quienes muchas veces no pueden contar con alguien que los cuide a tiempo completo y además son propensos a varios tipos de accidentes relacionados con la avanzada edad [4]. Hogar: Dentro del hogar se pueden destacar los Electrodomésticos inteligentes que son versiones conectadas a internet de los dispositivos clásicos de uso doméstico (Televisor, refrigerador, lavadora, horno, entre otros), que aprovechan los sensores y la conexión para facilitar su uso y de esta manera ofrecer nuevas posibilidades a los usuarios. También el control y automatización de los sistemas del hogar es una de las posibilidades brindadas por los objetos conectados a internet, pues podemos controlarlos remotamente y programar su funcionamiento de la misma manera a través, por ejemplo, de nuestros Smartphones. Por último, podemos destacar la monitorización del estado de la casa, ya que estaremos actualizados en tiempo real, sobre toda la información relacionada al estado de los objetos que se encuentran conectados a internet [11]. El principal potencial del IoT no es cuando este se aplica a un entorno determinado independientemente de los demás, sino cuando las redes son interconectadas, creando sistemas de subsistemas. Los entornos de aplicación mencionados previamente no tienen por qué usarse de manera independiente uno del otro. Al contrario, pueden beneficiarse de la integración para obtener nuevos datos, que permitan ofrecer más funcionalidades y servicios de mejor calidad para las personas. Por las características del IoT es lógico pensar que puede ser de gran utilidad su empleo en entornos de Ciudades Inteligentes o Smart Cities, debido a que las ciudades deben manejar un gran volumen de información de diversa naturaleza. El.

(18) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 10. término Smart Cities, hace referencia a un tipo de desarrollo urbano basado en la sostenibilidad, que es capaz de responder adecuadamente a las necesidades básicas de instituciones, empresas, y de los propios habitantes, tanto en el plano económico, como en los aspectos operativos, sociales y ambientales. Este propósito se logra a través de la integración de infraestructuras con sistemas de gestión inteligentes, basados en las tecnologías del IoT. De este modo, se dota a la ciudad de sensores capaces de obtener información y compartirla en tiempo real [12]. Entre las aplicaciones del Internet de las Cosas en las Smart Cities se pueden señalar primeramente el control y monitorización de tráfico, que permite implementar un sistema Inteligente para reunir los datos proporcionados por sensores, cámaras y semáforos en las calles de la ciudad, así como los propios autos en circulación, para determinar la duración en tiempo real de las luces de los semáforos individualmente, y de esta manera evitar los atascos y reducir los tiempos. de espera de los conductores. También es importante mencionar la. inspección de edificios y estructuras, que permitirá controlar. la integridad o. cualquier posible degradación como: grietas en las construcciones, monumentos históricos, puentes, entre otros. Por último, pero no menos importante, hay que destacar la administración de servicios gestionados por las autoridades de la ciudad como:. los. sistemas. de. alumbrado. público. inteligente,. que. funcionen. automáticamente según las condiciones meteorológicas, y los sistemas de recolección de basuras, que son capaces de avisar a las autoridades, en el momento en el que es necesario la recogida del contenido de los depósitos. Por lo pronto varias entidades del mundo están construyendo los cimientos que permitan en breve ciudades inteligentes, en las que la iluminación, el transporte, el estacionamiento y la recolección de basura operen de manera automatizada [13], [14]. Un ejemplo ilustrativo de Smart City es la ciudad de Barcelona, que dispone del proyecto CityOs. Su principal objetivo es crear un sistema operativo virtualizado para todos los dispositivos y servicios ofrecidos en la ciudad. Barcelona se ha centrado principalmente en trasportación inteligente y agua inteligente..

(19) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 11. En el Anexo I se presentan varios dispositivos, que pueden encontrarse en el mercado. 1.2 Comunicaciones Máquina a Máquina En las redes diseñadas para el IoT, los dispositivos habitualmente se comunican entre ellos y con otros sistemas de control para de esta forma, cumplir con uno de los objetivos del IoT: disminuir las interacciones de los seres humanos con los procesos virtuales. Este concepto es conocido como “Comunicaciones Máquina a Máquina” (M2M por sus siglas en inglés) y constituye la base del Internet de las Cosas. Definición: El concepto de “Machine to Machine” (M2M) se refiere a la tecnología que permite establecer comunicaciones inteligentes entre los objetos, las cosas y los sistemas que los siguen y controlan, básicamente por vía inalámbrica [15]. Estos procesos reducen el tiempo y los costos, y amplían servicios que hasta ahora no existían. Así mismo, esta comunicación se realiza de manera telemática (por la convergencia entre las tecnologías de las Telecomunicaciones y de la Informática). Estas herramientas aumentan la productividad, automatización y eliminación manual. 1.2.1 Características de las Comunicaciones M2M y los entornos en que se desarrollan Las principales características de las comunicaciones M2M son: la existencia de miles y millones de dispositivos para cada aplicación, dispositivos muchas veces limitados. en. recursos,. tecnologías. heterogéneas,. servicios. heterogéneos. coexistiendo, aumento de la complejidad, gran cantidad de nodos y dispersos, usuarios exigentes e Información dispersa [16]. De acuerdo con el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI por sus siglas en inglés) todo entorno M2M debe contar con los siguientes elementos: Los dispositivos finales (enddevices en inglés), que se encargan de recolectar, transmitir y recibir información. Básicamente, están formados por un microcontrolador, un módulo de comunicación,.

(20) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 12. sensores y actuadores. Los dispositivos coordinadores (gateways) se encargan de concentrar el tráfico entre los end-devices y la red troncal de comunicaciones (core network en inglés). Una red M2M capilar (también denominada M2M area network) que está constituida por un gateway y varios end-devices. Las redes troncales (M2M core network) que permiten la conexión de los end-devices y las redes M2M capilares con las plataformas de servicio encargadas de gestionar la información recibida y las aplicaciones M2M, que son básicamente, softwares encargados del procesamiento, análisis y reporte de datos a los usuarios finales [31], [32]. 1.3 Diferencias entre M2M y el IoT Como se puede Observar en la Figura 1.3: M2M se refiere a la comunicación entre máquinas. Una máquina puede ser un dispositivo electrónico, un robot, un automóvil, un motor industrial o cualquier equipo de los que nos rodean diariamente. Esa máquina tiene que comunicarse por internet con un servidor. Ese servidor utiliza la información recibida y determina las acciones que debe realizar la máquina y la manipula remotamente. Por otro lado el IoT da la vuelta al concepto M2M pues se refiere al mercado masivo de objetos (relojes pulseras termostatos, ropa, etc.) que están conectados a internet y que prestan un servicio a un usuario final. Se trata por lo tanto de un bien de consumo. El IoT se enfoca desde la perspectiva de un servicio en un mercado mientras M2M lo hace desde el punto de vista técnico de las comunicaciones [17].. Figura 1.3: Internet de las Cosas (IoT) y Comunicaciones Máquina a Máquina (M2M). Modificado de [18]..

(21) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 13. Los dispositivos M2M tienen siempre un propósito, es decir, son capaces de comunicarse con otras máquinas para recibir o transmitir información y desencadenar una acción. 1.4 Dispositivos utilizados en las Comunicaciones M2M Para las comunicaciones M2M se utilizan básicamente dos tipos de dispositivos electrónicos, que combinados con la capacidad de conexión, forman la capa de hardware del IoT: Sensores: dispositivos capaces de medir magnitudes físicas o químicas y transformarlas en señales eléctricas. Estos pueden ser físicos, químicos y bioquímicos. Actuadores: dispositivos capaces de utilizar señales eléctricas para activar un determinado proceso. Algunos ejemplos de estos son: motores, servomotores, electroválvulas y Teléfonos inteligentes (Smartphones) [11]. 1.4.1 Características de los dispositivos M2M Los dispositivos a utilizar en estas comunicaciones deberán satisfacer aspectos claves, para permitir la interoperabilidad del sistema, como recursos de procesamiento limitados, bajo consumo de potencia y estar incorporados dentro de otros dispositivos; sin duda estas restricciones tendrán un impacto en el desarrollo de los sistemas M2M, que también tendrán características particulares como son: control e interacción humana limitada, un número potencialmente grande de dispositivos finales, uso exclusivo de redes de conmutación de paquetes y un bajo volumen de tráfico por cada dispositivo final [19]. 1.5 Orden para la implementación óptima de redes M2M En primer lugar los sensores deberán colocarse en lugares estratégicos para poder obtener de forma óptima y precisa, los datos requeridos. Luego estos deben.

(22) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 14. conectarse a la red inalámbrica que se encuentra conectada a Internet, para poder enviar los datos recogidos en tiempo real, una vez que ya se están recogiendo y enviando de forma inalámbrica estos datos, un operador o incluso el propio sistema, deberá supervisar mediante un software específico, este flujo de datos obtenido, para comprobar a cada instante que todo funciona correctamente. 1.6 Retos de las Comunicaciones M2M: Los principales desafíos a que se enfrentan las fases de desarrollo y de despliegue de las comunicaciones M2M son: Fiabilidad: se refiere al funcionamiento apropiado del sistema basado en su especificación. Tiene una estrecha relación con la disponibilidad aunque es aún más crítica y posee requisitos más estrictos en lo que respecta al campo de las aplicaciones de respuesta de emergencia. En estos sistemas la parte crítica es la red de comunicaciones, que debe ser resistente a fallos a fin de realizar la distribución de información fiable. La fiabilidad debe ser implementada en software y hardware en todas las capas de la red, con el fin de que sea cada vez más eficiente, la comunicación debe ser fiable porque un error en la recopilación de datos, el procesamiento y la transmisión, puede dar lugar a retrasos, pérdida de datos y a decisiones finales equivocadas, lo que puede conducir a escenarios desastrosos. Interoperabilidad: es otro reto debido a la necesidad de manejar un gran número de dispositivos. heterogéneos. que. pertenecen. a. diferentes. plataformas. de. comunicación tales como: WiFi, NFC, Bluetooth, entre otros. Junto con la variedad de protocolos, las diferentes interpretaciones del mismo estándar aplicado por partes diferentes, presentan un desafío para la interoperabilidad por lo que se hace necesario realizar test de interoperabilidad en un banco de pruebas como el ETSI Plugtests. Seguridad: las comunicaciones M2M han cambiado el modo de ver la seguridad y la privacidad. Cada dispositivo de extremo final o dispositivo Gateway que recoge,.

(23) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 15. transmite, almacena o procesa datos sensibles, representa un riesgo potencial. Un estudio de Hp halló que el 70% de los dispositivos IoT más comúnmente utilizados, contiene vulnerabilidades de seguridad. Los 10 problemas fundamentales hallados por Hp son: interfaz Web insegura, autenticación insuficiente, servicios de red inseguros, falta de encriptado en el transporte, preocupaciones sobre la privacidad, interfaz insegura en la nube, interfaz móvil insegura, insuficiente configurabilidad de seguridad, software inseguro y seguridad física deficiente [20],[21]. Por los factores anteriormente expuestos, las comunicaciones M2M convierten la ciberseguridad en un desafío y esto constituye uno de los principales problemas de las nuevas tecnologías de la red de redes, porque muchos de estos dispositivos estarán expuestos a menudo, a la piratería y por sus vulnerabilidades, brindarán acceso a aplicaciones y bases de datos centrales. Los hackers no solo conseguirán ejecutar los usuales ataques digitales como: el robo de datos, la transferencia de dinero o la caída de sitios web, sino que además podrán causar estragos al interferir en infraestructuras como: redes eléctricas y señales de tránsito, o poner vidas en peligro al acceder a dispositivos de cuidados de la salud, aviones o ascensores [10]. Como muchos dispositivos del IoT se colocan en entornos expuestos, deberían entonces contar con los medios para proteger automáticamente su funcionamiento y los datos que contienen. Garantizar su integridad y aplicar técnicas de cifrado son dos acciones a aplicar a los datos sensibles en el almacenamiento no seguro. Los dispositivos conectados, también deben presentar la capacidad de recibir actualizaciones de firmware remoto, incluso en caso de infección de malware [22]. Fabricación: los retos de fabricación deben ser resueltos de manera convincente. Los costos deben bajar a menos de un centavo por cada etiqueta RFID pasiva, y la producción debe alcanzar volúmenes extremadamente altos, mientras que todo el proceso de producción debe tener un impacto muy limitado sobre el medio ambiente, basado en estrategias para la reutilización y el reciclaje, considerando el ciclo de vida completo de dispositivos digitales y de otros productos que podrían ser etiquetados o activados por un sensor..

(24) CAPÍTULO 1. Internet de Las Cosas y Comunicaciones M2M. 16. Utilización eficiente del canal de comunicaciones: como ya fue mencionado en epígrafes anteriores las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M) constituyen la base del Internet de las Cosas (IoT). Las redes inteligentes están compuestas por un número elevado de dispositivos con conectividad. Estas redes deben tener la capacidad de utilizar los datos de las distintas plataformas de comunicación y además, como en la mayoría de los casos el canal de comunicaciones es compartido, deben garantizar el empleo de este, de manera ordenada y eficiente. Para ello se utilizan mecanismos y protocolos de Control de Acceso al Medio (MAC por sus siglas en inglés). 1.7 Control de Acceso al medio (MAC) El control de acceso al medio en informática y telecomunicaciones, es el conjunto de mecanismos y protocolos por los que varios dispositivos se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común, por lo general, un cable eléctrico u óptico, o en comunicaciones inalámbricas el rango de frecuencias asignado a su sistema. Sin un método de organización, aparecerían interferencias que podrían resultar molestas, o bien directamente impedir la comunicación. Más específicamente, en redes informáticas, las siglas inglesas MAC se emplean en la familia de estándares IEEE 802 para definir la subcapa de control de acceso al medio. La subcapa MAC se sitúa en la parte inferior de la capa de enlace de datos (Capa 2 del Modelo de Referencia OSI). La implementación exacta de esta subcapa puede variar dependiendo de los requerimientos de la capa física (por ejemplo Ethernet, WLAN) [23]. De entre las funciones de la subcapa MAC en esta investigación nos centraremos en la que se encarga de controlar el acceso al medio físico de transmisión, por parte de los dispositivos que comparten el mismo canal, pues nos proponemos evaluar el desempeño de los protocolos MAC para comunicaciones M2M..

(25) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 17. CAPÍTULO 2. Protocolos MAC para Comunicaciones M2M. La base del Internet de las Cosas (IoT) son las comunicaciones Máquina a Máquina (M2M) por las razones expuestas anteriormente, más que un producto, las redes M2M son parte de una solución tecnológica; en muchos casos, los usuarios finales no son conscientes de las interacciones entre los dispositivos y equipos de comunicaciones que utilizan. Por esta razón, la importancia de las comunicaciones M2M está basada en ser el medio para un fin, y no el fin en sí mismo. En la mayoría de los casos, el propósito de estas comunicaciones no es otro que mejorar la calidad de procesos y servicios, todo gira en torno a eficiencia. Eficiencia (la palabra favorita en ingeniería) es justamente uno de los retos en el diseño y desarrollo de las redes M2M. Algunas de las características de estas redes (dispositivos de bajo consumo, gran cantidad de dispositivos conectados, movilidad de los. dispositivos) ameritan la existencia de protocolos MAC eficientes que. garanticen un bajo consumo energético, transmisiones fiables y que alarguen la vida útil de los dispositivos tanto como sea posible. El diseño y desarrollo de protocolos para escenarios inalámbricos es un campo sustancioso que ha recibido una extensa atención en la literatura. Para garantizar el uso eficiente y ordenado del canal de comunicaciones, varios autores han desarrollado protocolos MAC que son utilizados en las comunicaciones M2M. Entre ellos podemos mencionar: el ALOHA, el Aloha ranurado o Slotted Aloha, el Fast Adaptive Slotted Aloha (FASA) y el Distributed Point Coordination Function (DPCF), de los cuales se hará un resumen que incluye sus principales características en los epígrafes siguientes..

(26) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 18. 2.1 Modelo del escenario de trabajo En la mayoría de los casos las redes M2M se basan como se muestra en la Figura 2.1, en un sistema basado en una topología estrella, compuesto por una estación base (BS) y varios dispositivos que establecerán comunicaciones con ella. Para el estudio de los protocolos que se describirán posteriormente se plantea un sistema de transmisión en el cual todas las comunicaciones se realizarán a través de la BS y a su vez, esta manejará la red, rigiéndose por las características especiales de cada uno de los protocolos MAC, para garantizar un uso eficiente del canal de comunicaciones. Tratando a su vez de mantener un bajo consumo de energía, ya que los nodos de la red se pueden encontrar en los estados, inactivo, transmitiendo datos y recibiendo datos y en cada uno de ellos consumen una potencia diferente.. Figura 2.1: Red con comunicaciones M2M. 2.2 Aloha Aloha Puro: El protocolo Aloha aunque no funciona de la manera planteada en el epígrafe anterior, también es usado en comunicaciones M2M, porque permite la interacción de un gran número de dispositivos en una red de comunicaciones y como ya ha sido mencionado en el capítulo 1 una de las características fundamentales de las comunicaciones M2M y el IoT, es el gran número de dispositivos conectados a una red inteligente..

(27) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 19. El protocolo ALOHA fue desarrollado en el año 1970. Constituyó la respuesta ante la necesidad de gestionar el acceso a una red de radiofrecuencia que permitía la comunicación entre varias islas. En ALOHA, cada nodo intenta acceder al canal siempre que tenga datos para transmitir. Como se ilustra en la Figura 2.2 si una estación desea transmitir simplemente emite un paquete y una vez enviado, espera la confirmación de que ha sido recibido correctamente por el destinatario. Si después de un tiempo determinado no se recibe confirmación, el emisor supone que se ha producido una colisión. Una colisión ocurre, cuando dos paquetes de dos estaciones diferentes son enviados al mismo tiempo a través del canal, trayendo como consecuencia la invalidación de todas las tramas que se vieron afectadas, por lo que se espera un tiempo aleatorio y se reenvía el paquete.. Figura 2.2: Funcionamiento de Aloha. El problema fundamental del protocolo es que el envío de los paquetes por parte de los nodos se realiza de forma confusa, pues las diferentes estaciones transmiten los paquetes de manera deliberada, sin preocuparse de si el canal está libre o no y como este, es compartido, basta que se solapen dos de ellos solamente en un bit, para provocar su invalidación y sea necesario retransmitirlos, porque los nodos solo se percatarán del problema, después de concluida la transmisión. Este.

(28) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 20. inconveniente produce un bajo rendimiento de solo un 18,4 % de utilización del canal, es decir que se desperdicia el 81,6 % del ancho de banda [24]. Cuando el tráfico en una red ALOHA crece, el número de colisiones aumenta de manera no lineal y el rendimiento decae rápidamente. 2.3 Aloha Ranurado o Slotted Aloha Aloha Ranurado o Slotted Aloha: Emplea el escenario de trabajo descrito en el epígrafe 2.2. Se definió en 1972 para mejorar las prestaciones del Aloha. La única diferencia, como se muestra en la Figura 2.3, es que el tiempo se divide en intervalos de duración constante, llamados slots o ranuras. Cada slot tiene el tamaño necesario para alojar un paquete de datos y su respectivo paquete de confirmación, en caso de que sea exitoso su envío. Al igual que el Aloha Puro, tiene la capacidad de soportar un gran número de dispositivos conectados, de ahí, su importancia para las comunicaciones M2M.. Figura #2.3: Funcionamiento del Slotted Aloha. Para transmitir un paquete de datos, cada nodo debe esperar al inicio de un slot, luego de su envío, el nodo espera por la confirmación de éxito a través de un ACK.

(29) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 21. que debe remitir el AP después de la correcta recepción de los datos, en caso de que el ACK no llegue al nodo que emitió el paquete, la transmisión se clasifica como fallida debido a una colisión y por tanto se reprograma el envío del paquete esperando un tiempo aleatorio. Sincronizando el proceso de transmisión es posible reducir la probabilidad de colisión, reduciendo su efecto a un intervalo específico. Se eliminan las colisiones en cadena, ya que las interferencias ocurrirán de manera total y no parcialmente. Sin embargo no garantiza que no haya colisiones, cuando dos estaciones quieren transmitir y esperan hasta el siguiente slot, se produce una colisión. Esta modificación tiene como consecuencia el aumento del rendimiento a un 36.8 % duplicando el resultado de usar Aloha Puro [25]–[27]. 2.4 Slotted Aloha modificado para comunicaciones M2M (Fast Adaptive Slotted Aloha (FASA)) Este protocolo utiliza la estructura de la red mencionada en el epígrafe 2.2. Por las causas planteadas en los epígrafes 2.3 y 2.4, se conoce que varias aplicaciones de las comunicaciones M2M inalámbricas han vuelto a generar interés por los protocolos de acceso aleatorio. Slotted Aloha y sus derivados representan una solución simple para distribuir el acceso aleatorio en redes inalámbricas. A continuación se describe una de las versiones del Slotted Aloha para comunicaciones M2M específicamente: En este caso los dispositivos M2M pueden encontrarse en dos estados: Activo o Inactivo. Los dispositivos se mantienen en el estado Inactivo hasta que ocurra un evento, es decir el arribo de un paquete para transmitir. A partir de este momento entran en estado Activo y envían paquetes de solicitud de conexión. El mecanismo de transmisión es un Slotted Aloha modificado, que se muestra en la Figura 2.4. El tiempo se divide en slots o ranuras. En cada ranura de tiempo los dispositivos activos transmiten solicitudes de conexión múltiples, con una.

(30) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 22. probabilidad dada, la cual es calculada y emitida por la Estación Base (BS) a todos los nodos al inicio de cada slot.. Figura 2.4: Funcionamiento del FASA. En cada ranura puede haber cero, uno o varios dispositivos trasmitiendo por el canal. Se utiliza un modelo ideal de colisiones, es decir, una solicitud de conexión es efectiva, sí y solo sí, ninguna otra solicitud se envía en el mismo slot. La BS difunde un mensaje identificando el resultado de acceso al final de la ranura. Los dispositivos que sufren una colisión pueden transmitir sus solicitudes múltiples en los siguientes slots. La estación base coordina el acceso aleatorio, ajustando la probabilidad de transmisión, pues al final de la ranura de tiempo, decide su valor basándose en los resultados de acceso pasados. El objetivo de la BS es maximizar el Throughput y minimizar los retardos de acceso. Es conocido que cuando el número de dispositivos activos es Nt ≥ 1, usando una probabilidad de transmisión pt = 1 / Nt en el slot t se maximiza el rendimiento del Slotted Aloha. Sin embargo la estación no conoce Nt, por lo tanto, tiene que estimarlo basándose en los accesos en las ranuras pasadas. El proceso para estimar el número de dispositivos activos está explicado en [1] donde se establece que la estimación del número de dispositivos activos es N^t. y se.

(31) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 23. propone calcularlo a través de K0,t y Kc,t que representan el número de slots consecutivos desocupados y con colisiones respectivamente. El valor de la estimación se logra usando la expresión siguiente:. Donde h0(v) y hc(v) son funciones de v que garantizan la dirección correcta de la estimación, Km es un entero mayor que 1 y v es el factor exponencial que los autores usan para ajustar la velocidad. FASA forma parte de la clase de esquemas aditivos. Bajo la estimación, Nt se queda igual en una ranura exitosa, se decrementa en una ranura desocupada y es incrementado en un slot con colisiones. Modelo de transmisión: La BS envía a todos los dispositivos conectados una señal de broadcast con una probabilidad de persistencia de valor pt. Los nodos con paquetes para enviar en el slot de tiempo T, transmiten solicitudes de conexión con una probabilidad pt, realizan un test de probabilidad de transmisión y generan una variable aleatoria uniforme Qi,t entre [0 , 1]. Si Q > pt los nodos no transmiten en el slot T y lo reintentan en el slot T + 1 que sigue el mismo procedimiento. En otro caso si Q < pt los nodos activos transmiten un paquete. En cualquier ranura de tiempo o slot si el canal es usado exclusivamente por un nodo, la transmisión es asumida como exitosa y en otro caso, la transmisión falla, debido a una colisión. En caso de colisión, las máquinas que fallan la transmisión en el slot t, intentan transmitir nuevamente en el slot T + 1..

(32) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 24. 2.5 DPCF ( Distributed Point Coordination Function ) El aumento de dispositivos inalámbricos y, consecuentemente, de aplicaciones multimedia ha provocado que las redes inalámbricas necesiten soportar tráficos cada vez más heterogéneos para los cuales se han de asegurar unas prestaciones mínimas de calidad de servicio. Esto unido a la aparición y desarrollo de las comunicaciones máquina a máquina, las cuales están teniendo un gran incremento en la actualidad, siendo un tráfico emergente que supone un desafío para las redes de comunicaciones. Este aumento de dispositivos y de cargas de tráfico trae consigo la necesidad de un nuevo protocolo que mejore las prestaciones del DCF utilizado en las redes WLAN. El protocolo DPCF, constituye una extensión de la función PCF para redes sin estructura ad hoc. Este protocolo fue diseñado para trabajar en entornos ad hoc inalámbricos. Cuenta con un mecanismo de clustering dinámico integrado con un protocolo MAC centralizado de alto rendimiento. La idea básica del DPCF es que el acceso al canal por parte de los dispositivos se haga utilizando el modo de acceso DCF definido en el estándar IEEE 802.11 para redes inalámbricas de área local. Una vez el dispositivo logra el acceso al canal, se crea un clúster temporal utilizando una estructura Master-Slave, dentro de la cual se puede ejecutar el protocolo centralizado PCF, también definido en el estándar 802.11. Mecanismo de clustering: la idea básica del mecanismo es que cualquier dispositivo que tenga datos que transmitir debe crear un cluster temporal siguiendo la estructura master esclavo[30] . Si ningún dispositivo tiene datos que transmitir y además está trabajando en modo inactivo o si existe un cluster temporal operando fuera del rango de transmisión del dispositivo, este dispositivo DPCF puede no detectar ningún cluster temporal en sus alrededores. En este contexto, el dispositivo efectúa una petición de clustering a otro dispositivo de la red. Esta petición se realiza a través de paquetes RTS. El.

(33) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 25. procedimiento de inicialización de un cluster se ilustra en la Figura 2.5. La petición se efectúa de la siguiente forma: primeramente el dispositivo con paquetes para transmitir remite una petición de envío (RTS por sus siglas en inglés). Una vez el dispositivo ha recibido el paquete RTS, comprueba que el emisor de la transmisión es un dispositivo DPCF. En caso afirmativo, el dispositivo envía un paquete de BEACON a toda la red para señalar el inicio del cluster. Luego el dispositivo que ha enviado el paquete de BEACON pasa a trabajar como Master de la red, mientras que los dispositivos que detectan el paquete de BEACON lo hacen en modo Slave. Si un nodo tiene datos para transmitir y detecta un cluster activo en su rango de transmisión, este, puede asociarse directamente a ese cluster, sin tener que realizar ninguna petición para crear otro cluster. Esto es posible debido a que los paquetes BEACON se envían procedentes de los Master de forma periódica. Una vez creado el cluster, todos los dispositivos (Master y Slave) asociados pertenecientes a él, operan a través de la función de coordinación PCF. El Master de la red efectuará los envíos de POLLS a cada dispositivo Slave del cluster, para dar la posibilidad de transmitir en el canal. El primer paquete de POLL que se envía tiene como destino el dispositivo que realizó la petición de cluster.. Figura 2.5: Mecanismo para la creación de un cluster. Duración de un Cluster: El inicio de los periodos de clustering se realiza mediante el envío de paquetes de BEACON y se finaliza a través del envío de paquetes CF END. Si un cluster ha permanecido activo durante un periodo máximo de tiempo determinado o los dispositivos que pertenecen a él no desean transmitir más datos, provocan que este finalice su actividad [30], [33]..

(34) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 26. Función DCF: en la Figura 2.6 se muestra el mecanismo DCF usado en la contención del canal. Para poder iniciar una transmisión, cada estación debe escuchar el medio. Si está libre y continúa así durante un intervalo de tiempo DIFS (Distributed Coordination Function Interframe Space), la estación puede comenzar a transmitir los datos. La estación de destino confirma la correcta recepción de los datos a través de un paquete de reconocimiento ACK a la estación origen después de un tiempo SIFS (Short Interframe Space)[30].. Figura 2.6: Mecanismo de contención con la función DCF. Función PCF: En este mecanismo, el encargado de gestionar el acceso al medio es el AP, que actúa de coordinador de los dispositivos, eligiendo quién debe de transmitir en cada momento. En el protocolo DPCF esta función la desempeña el nodo que ejerce de Master. En la Figura 2.7 se muestra el funcionamiento de del Master, ilustrando los envíos de POLLS a cada uno de los dispositivos para que estén al tanto del momento en el que les corresponde transmitir..

(35) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 27. Figura 2.7: Mecanismo PCF. 2.6 Requerimientos de los protocolos MAC para comunicaciones M2M Los protocolos MAC para soportar comunicaciones M2M, deben ser diseñados con un grupo de requerimientos, para satisfacer las necesidades de la capa de aplicaciones y los escenarios en los que son empleados. Estos requerimientos son: Throughput: la velocidad real de transporte de datos a través de una red. La primera característica que debe poseer un protocolo MAC para soportar comunicaciones M2M es el Throughput ,debido a los recursos limitados del canal y el gran número de dispositivos que acceden a él, por lo que es necesario que el Throughput sea lo más alto posible para poder alojar a los dispositivos. Escalabilidad: indica la habilidad de una red de estar preparada para hacerse más grande sin perder calidad en los servicios ofrecidos. Es una característica clave a considerar en el contexto de las comunicaciones M2M, debido a que los escenarios en donde son empleadas siempre contienen un número elevado de dispositivos. La densidad de nodos en estas redes irá aumentando en los escenarios, dependiendo de las aplicaciones utilizadas. También estas redes deben ser dinámicas, es decir, que los dispositivos estarán alternando en sus estados, entre activos e inactivos, para garantizar un bajo consumo de potencia, por lo que es necesario que las redes puedan ajustarse usando poca o ninguna información de control, evitando así, que se produzcan colisiones..

(36) CAPÍTULO 2: Protocolos MAC para comunicaciones M2M. 28. Eficiencia energética: es una de las principales características a considerar en el diseño de una red que emplee comunicaciones M2M, a causa de tres importantes factores: En primer lugar los dispositivos en las redes M2M poseen la batería interna y su potencia es pequeña, además se debe tener en cuenta el impacto económico de la potencia consumida por la red en su totalidad y por último, el impacto ambiental del consumo de electricidad, porque la industria de las comunicaciones es responsable de la emisión del 1,3 % del total de los gases dañinos en el mundo. Coexistencia: los dispositivos M2M utilizan las bandas libres del espectro para su comunicación, por lo que es necesario que puedan coexistir varios de ellos además de otro tipo de dispositivos, que también operan en estas bandas en el mismo escenario, por ejemplo en una Casa Inteligente o Smart Home, donde coexisten sensores, WiFi y Bluetooth, entre otros. Costo efectivo: para diseñar un sistema basado en comunicaciones M2M los dispositivos no deben ser muy caros, para permitir que su despliegue sea costeable. Un protocolo MAC que tenga propiedades deseables pero necesite de una gran inversión en hardware, no es práctico, es decir, que un protocolo debe ser diseñado para trabajar eficazmente con hardware simple..

(37) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 29. CAPÍTULO 3. Resultados y discusión. En el presente capítulo se explican los resultados obtenidos, después de implementar y simular los protocolos mencionados anteriormente, en el software “MatLab”, con el objetivo de evaluar su desempeño y observar parámetros vitales para las redes con comunicaciones M2M. Para ello se discuten los resultados mostrados en gráficas elaboradas con los datos logrados en las simulaciones, a partir del comportamiento de ellos, en el escenario que se describirá a continuación. En el epígrafe 3.1. Finalmente, se realizan conclusiones acerca del desempeño de los protocolos en términos de los parámetros estudiados. 3.1 Entorno de simulación: Con el objetivo de obtener los parámetros necesarios para evaluar el desempeño de los protocolos Aloha, Aloha Ranurado, FASA y DPCF, se implementaron los mecanismos de transmisión de cada uno de ellos en el software MatLab, utilizando la programación orientada a objetos, pues los nodos y la Estación Base que componen cada escenario, se programaron en clases, las cuales son llamadas desde las funciones “Aloha.m”,”Slotted_Aloha.m”,”FASA.m” y “DPCF.m”. En las simulaciones se hizo aumentar la cantidad de nodos desde 2 hasta 15, teniendo en cuenta que 15 es un número considerable para la contención por el canal de comunicaciones. Los dispositivos M2M se colocaron de manera aleatoria en un área de 25 m2, se simuló su comportamiento durante un tiempo de 10 segundos y se realizaron 50 corridas de cada una de las funciones. Para graficar los datos obtenidos, cada uno de los puntos fue calculado promediando el resultado de las 50 corridas. Para el cálculo de la energía se tomaron como referencias el radio cognitivo CC2420 y el radio CC1000, de los que se ofrecen sus datos de consumo de potencia, en la tabla 3.1. La energía es calculada a través de la expresión siguiente: E=∑P*T.

(38) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 30. Donde P es la potencia empleada por el radio, dependiendo del estado en que se encuentre y T, es el tiempo de duración de los estados, obtenidos en las simulaciones, (inactivo, transmisión, recepción, colisión).  El tiempo de Colisión fue asumido como tiempo de recepción para el cálculo de la energía, conociendo que este período, constituye un caso de ambigüedad, ya que cuando ocurre una colisión el dispositivo puede encontrarse en cualquier estado; solo se impide la transmisión de datos, cuando el dispositivo ya está transmitiendo un paquete generado anteriormente. En las figuras del capítulo, el Throughput y el Goodput se expresan en términos de paquetes por segundo, la energía se expresa en Joule, (1J = 1W * s), el número de nodos M2M, es mostrado en unidades (nodos) y la relación Goodput – Energía se muestra en paquetes por J. El comportamiento de los parámetros se calculó con una confianza del 95%. Tabla 3.1: Potencia empleada por los radios CC2420 y CC1000 [28], [29].. Estados. CC2420. CC1000. Inactivo. 60 µW. 100µW. Transmitiendo. 57mW. 75mW. Recibiendo. 63mW. 36mW. 3.2 Resultados del Protocolo Aloha.. Figura #3.1: Throughput del Aloha..

(39) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 31. Figura #3.2: Goodput del Aloha. Las Figuras 3.1 y 3.2, brindan el comportamiento del Aloha Puro y muestran como al incrementarse la cantidad de nodos en el escenario, tanto el Throughput como el Goodput, disminuyen. Esto sucede, a causa de las características especiales de este protocolo, ya que en él, se establece que cada nodo se puede comunicar con todos los demás que componen la red, sin seguir regla alguna, en cualquier instante de tiempo, lo que provoca un elevado número de colisiones con el aumento de la densidad de dipositivos M2M. Originando con ello, una cifra importante de paquetes perdidos.. Figura 3.3: Consumo de Energía con los radios CC2420 y CC1000..

(40) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 32. La Figura 3.3 ofrece los datos de Consumo de Energía y permite observar que utilizando el radio CC2420, también a medida que aumentan los nodos, se incrementa su valor, pero con el empleo del radio CC1000, el consumo de energía diminuye, debido al aumento de la probabilidad de ocurrencia de colisiones, por lo que los nodos se mantendrán cada vez más tiempo, en el estado de colisión y al asumir el tiempo de colisión como tiempo de recepción, el comportamiento de este parámetro decrece, porque este dispositivo posee una potencia de recepción baja (la menor de las que se muestran en la tabla 3.1). La Figura 3.4 permite arribar a la siguiente conclusión: el rendimiento de los paquetes transmitidos correctamente por J, que se obtiene con la utilización del radio CC1000, es superior al alcanzado con el empleo del radio CC2420. Este comportamiento se debe primeramente, a que el radio CC1000, consume menor potencia cuando se encuentra en estado de recepción y en segundo lugar, a medida que aumenta la densidad de nodos, este período se hace más común para los integrantes de la red, debido al aumento de la probabilidad de ocurrencia de colisiones.. Figura 3.4: Relación de paquetes exitosos por J utilizando los radios CC2420 y CC1000 para Aloha..

(41) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 33. 3.3 Resultados del Aloha Ranurado o Slotted Aloha Los datos reflejados en la Figura 3.5 indican que el Throughput, con el aumento de la cantidad de nodos en el escenario de simulación, no es un parámetro que se vea afectado de manera drástica, ya que se puede ver con claridad que se mantiene prácticamente constante, con un valor de 53 paquetes por segundo y sus variaciones son muy ligeras. Este comportamiento se debe a las características específicas del protocolo en cuestión, porque en el Aloha Ranurado, toda la comunicación de la red se realiza a través de la estación base y aunque la densidad de nodos aumente, los dispositivos continúan con su funcionamiento de la misma manera, por ello el Throughput se mantiene constante.. Figura 3.5: Throughput del Aloha Ranurado.. Figura #3.6: Goodput del Aloha Ranurado..

(42) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 34. La gráfica mostrada en la Figura 3.6 refleja el desempeño del Goodput en el escenario. Se puede percibir como con el aumento de la cantidad de nodos, este parámetro disminuye su valor considerablemente, hasta volverse prácticamente nulo. Esto se produce, a causa del incremento de la probabilidad de ocurrencia de colisiones, porque los dispositivos transmiten sus datos al comienzo de las ranuras de tiempo, sin comprobar si el canal se encuentra ocupado, o no. Por lo tanto,mientras mayor sea el número de nodos en la red, más difícil será enviar un paquete de datos de manera correcta a la estación base. En cuanto al comportamiento del Consumo de Energía, queda ilustrado en la Figura 3.7 que con la utilización del radio CC2420, este parámetro aumenta hasta que el número de nodos en el escenario alcanza el valor de 6, y a partir de ahí, tiende a volverse constante. Esto se debe a que todavía con 6 nodos en la red, los dispositivos transmiten correctamente alrededor de 5 paquetes por segundo, y en lo adelante (de 8 a 15 nodos) el estado que predomina en los nodos es el de colisión, provocando pocos cambios en el consumo de energía. En cambio, con el empleo del radio CC1000, el consumo energético disminuye, porque como ya ha sido explicado en epígrafes anteriores, el radio CC1000 consume menor potencia en estado de recepción.. Figura 3.7: Consumo de Energía con los radios CC2420 y CC1000..

(43) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 35. Figura 3.8: Relación de paquetes exitosos por J utilizando los radios CC2420 y CC1000 para Aloha Ranurado. La Figura 3.8 muestra que al igual que en el Aloha Puro, con la utilización del radio CC1000, se alcanza un mejor rendimiento de paquetes transmitidos con éxito, por cada J de energía consumido. Pero analizando el comportamiento de este parámetro en los protocolos Aloha y Aloha Ranurado, se puede concluir que el rendimiento del Aloha Ranurado es superior, debido a que su Goodput, es prácticamente el doble del logrado por el Aloha Puro. Esto se produce porque con la división del tiempo en ranuras y la transmisión de los datos solamente al inicio de ellas, se logra disminuir considerablemente la probabilidad de ocurrencia de colisiones. Por lo tanto, los nodos pueden enviar con éxito un mayor número de paquetes. 3.4 Resultados del FASA La gráfica de la Figura 3.9 refleja el comportamiento del Throughput para el protocolo FASA. En ella se puede observar como a medida que aumenta la cantidad de nodos, el valor de este parámetro diminuye, aunque lo hace con una proporción inferior, a la presentada en el epígrafe 3.2 por el protocolo Aloha, ya que el FASA en su mecanismo, cuenta con una probabilidad de transmisión, que impide a los nodos transmitir de forma inmediata cuando aumenta el número de colisiones, lo.

(44) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 36. cual trae como resultado, la disminución de las transmisiones. Es por ello que el throughput decrece al aumentar la densidad de nodos.. Figura 3.9: Throughput del FASA.. Figura 3.10: Goodput del FASA. La Figura 3.10 presenta los datos de Goodput obtenidos y permite apreciar como su valor decrece con el incremento de los nodos. Los valores de Goodput con 2 y 4 nodos en el escenario son inferiores a los que presenta el protocolo Aloha Ranurado con esta cantidad de nodos, pero con 6, 8, 10, 12 y 15 nodos, el valor presentado por el FASA es superior. Esto ocurre porque a partir de 6 nodos, la probabilidad de ocurrencia de colisiones aumenta considerablemente y el Aloha Ranurado, no tiene ningún mecanismo que impida el crecimiento del número de colisiones, mientras que el FASA, utiliza la probabilidad de transmisión que se envía a los integrantes de la red, al inicio de cada uno de los slots de tiempo.También se puede comprobar.

(45) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 37. que cuando el número de nodos alcanza y supera el valor de 10, en el Aloha Ranurado el Goodput se vuelve prácticamente cero, mientras que en FASA, aunque disminuye considerablente, se mantienen las transmisiones exitosas por parte de los dispositivos M2M. Los datos de Consumo de Energía para el FASA, son presentados en la Figura 3.11, estos permiten observar como con el radio CC2420, el consumo aumenta con el incremento de la densidad de nodos en el escenario, mientras que con el radio CC1000 disminuye. Este comportamiento se debe al crecimiento de la presencia del estado de recepción para los nodos, debido a los aspectos explicados anteriormente. Pero aunque este parámetro se comporta de manera similar que en el Slotted Aloha, los valores de energía del FASA son menores, debido al control de las transmisiones con la probabilidad indicada al inicio de las ranuras de tiempo.. Figura 3.11: Consumo de Energía con los radios CC2420 y CC1000. Al igual que en los protocolos Aloha y Aloha Ranurado, analizados en epígrafes anteriores, la Figura 3.12 permite observar como con la utilización del radio CC1000, se obtiene un mejor rendimiento de paquetes exitosos por Joule de energía consumido, provocado por las causas analizadas en los epígrafes 3.2 y 3.3. Además cuando la cantidad de nodos supera el total de 10, se observa que el número de paquetes exitosos por J de energía, toma un valor de aproximadamente 10, mientras que en Aloha Ranurado se hace cero..

(46) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 38. Figura 3.12: Relación de paquetes exitosos por J utilizando los radios CC2420 y CC1000 para FASA. 3.5 Resultados del DPCF Para la simulación del DPCF, se consideró configurar un escenario con topología estrella, en la cual será un único dispositivo el encargado de iniciar y terminar los clusters, además de controlar las transmisiones de datos de los demás nodos que componen la red de comunicaciones. El objetivo de esta modificación es emplear el escenario descrito en el epígrafe 2.1, logrando con esto, que el dispositivo central realice la función de Estación Base (BS) y dirija la red rigiéndose por las características del protocolo en cuestión. Las Figuras 3.13 y 3.14 muestran los datos obtenidos de las simulaciones del protocolo DPCF en términos de Throughput y Goodput. Las gráficas permiten observar que el comportamiento de ambos parámetros es idéntico, esto ocurre a causa de las características especiales del protocolo, pues el mecanismo de transmisión que emplea, garantiza que el nodo que transmita lo hará con éxito, porque los demás dispositivos se mantendrán inactivos, esperando el poll, que les indicará su turno, para enviar los paquetes..

(47) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 39. Figura 3.13: Throughput del DPCF.. Figura 3.14: Goodput del DPCF. La Figura 3.15 muestra el comportamiento del Consumo de Energía para el protocolo DPCF, utilizando los radios cognitivos CC2420 y CC1000. La gráfica permite apreciar que con el empleo del radio CC1000, se garantiza un menor consumo de energía, debido a que la sumatoria de las potencias consumidas por este dispositivo, es menor que la del radio CC2420. En este caso, con el aumento del número de nodos las dos gráficas tienen un comportamiento similar, porque mientras mayor sea la cantidad de dispositivos en el escenario, más pequeñas serán las posibilidades de transmisión para los nodos, debido a que solo pueden enviar datos, en el momento en que lo indique la estación base y por eso se mantendrán cada vez más tiempo en estado inactivo..

(48) CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.. 40. Figura 3.15: Consumo de Energía con los radios CC2420 y CC1000.. Figura 3.16: Relación de paquetes exitosos por J utilizando los radios CC2420 y CC1000 para DPCF. La Figura 3.16 muestra la relación de paquetes exitosos por cada Joule de energía consumido y permite observar que, ante el aumento de número de nodos, el comportamiento de este parámetro es muy similar para ambos radios. También es importante prestar atención al aumento del rendimiento ante el incremento de la densidad de nodos. Esto se debe al mecanismo de transmisión del DPCF, que garantiza que los nodos solo saldrán del estado inactivo, cuando sea necesario. Por.