Diseño de algoritmos de rendezvous para redes radio cognitivas

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Diseño de algoritmos de rendezvous para redes radio cognitivas Tesis presentada en opción al grado de Doctor en Ciencias Técnicas. MSc. Erik Ortiz Guerra. Santa Clara, Cuba, 2015.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones. Diseño de algoritmos de rendezvous para redes radio cognitivas. Tesis presentada en opción al grado de Doctor en Ciencias Técnicas. Autor: MSc. Erik Ortiz Guerra Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, Santa Clara, Cuba. Tutores: Dr. C. Vitalio Alfonso Reguera Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas, Santa Clara, Cuba. Dr. C. Richard Demo Souza Universidad Tecnológica Federal de Paraná, Curitiba, Brasil. Consultante: Dr. C. Evelio García Fernández Universidad Federal de Paraná, Curitiba, Brasil. Santa Clara, Cuba, 2015.

(3) AGRADECIMIENTOS. A MI TUTOR, DR. C. VITALIO ALFONSO REGUERA, por su exigencia, certera conducción e incondicional apoyo durante todo el proceso de investigación. Al DR. C. RICHARD DEMO SOUZA, por poner en mis manos toda su experiencia y los medios necesarios para la investigación durante la estancia en la UTFPR. Al DR. C. EVELIO M. GARCÍA FERNÁNDEZ Y SU FAMILIA, por acogerme en su hogar y brindarme incontables muestras de amistad. A DR. C. GLAUBER BRANTE y DR. C. MARCELO E. PELLENZ, por su contribución en la revisión de los artículos confeccionados durante la investigación. A LOS PROFESORES DEL DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, por asumir durante un tiempo mi carga laboral para que pudiera dedicarme a la investigación. A MI FAMILIA, por estar siempre el tanto de mis estudios, en especial a MIS PADRES por su apoyo constante a mi proceso de formación. A MI NOVIA Y SU FAMILIA, por su paciencia y comprensión durante el largo período dedicado a la investigación A la UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS y la UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA FEDERAL DE PARANÁ, por su colaboración institucional que permitió el desarrollo de esta investigación.. MUCHAS GRACIAS.

(4) GLOSARIO Y NOTACIÓN EMPLEADA Atendiendo a que la literatura especializada referente al tema de la investigación se encuentra en su mayoría en idioma Inglés, en este informe son empleados numerosos términos y siglas en este idioma. A continuación son presentadas en orden alfabético las siglas empleadas a lo largo del informe. ACH. Asynchronous Channel Hopping. ARCH. Asynchronous Rendezvous Channel Hopping. CCC. Common Control Channel. CH. Channel Hopping. CRN. Cognitive Radio Networks. CRSEQ. Channel Rendezvous Sequence. CS. Common Strategy. DRSEQ. Deterministic Rendezvous Sequence. EJS. Enhanced Jump Stay. ETCH. Efficient Channel Hopping. ETTR. Expected Time To Rendezvous. FDCH. Full Diversity Channel Hopping. FRCH. Fast Rendezvous Channel Hopping. GOS. Generated Orthogonal Sequences. GPS. Global Position System. ISM. Industrial Scientific and Medical. JS. Jump Stay. MAC. Medium Access Control. MC. Modular Clock. MCTTR. Maximum Conditional Time To Rendezvous. MMC. Modified Modular Clock. MTTR. Maximum Time To Rendezvous. RB. Role Based. RCCH. Rendezvous Couple Channel Hopping. RPS. Role-based Parallel Sequence. RW. Ring Walk. SARCH. Symmetric Asynchronous Rendezvous Channel Hopping. SRB. Simple Role Based.

(5) SSB. Short Sequence Based. TTR. Time To Rendezvous. UP. Usuarios Primarios. US. Usuarios Secundarios. WFM. Wait For Mommy. Además de las siglas listadas anteriormente también son empleadas numerosas variables. A continuación se describe el significado de las variables empleadas durante el texto. 𝐴𝐴𝑢𝑢. Conjunto de canales disponibles para el usuario cognitivo 𝑢𝑢. 𝐶𝐶ℎ𝑢𝑢. Conjunto de canales potenciales para el rendezvous del US 𝑢𝑢. G. Número de canales disponibles comunes para todos los US. 𝐶𝐶. d. H. Conjunto de canales en los cuales ocurre rendezvous. Desfasaje entre las secuencias de CH de los US. Diámetro de la red. 𝐻𝐻𝑖𝑖∗. Diámetro de la red resultante. 𝑀𝑀. Cantidad de usuarios secundarios. 𝑃𝑃𝐻𝐻. Probabilidad de que el US receptor salte durante una ranura de tiempo en. 𝑃𝑃𝑢𝑢. Conjunto de parámetros para generar las secuencias de CH. 𝑘𝑘. Número del período de la secuencia. 𝑁𝑁. Número de canales de la CRN. el algoritmo SRB. 𝑃𝑃𝐿𝐿𝐿𝐿. Probabilidad de transición entre los estados libre-ocupado en el modelo. 𝑃𝑃𝑂𝑂𝑂𝑂. Probabilidad de transición entre los estados ocupado-libre en el modelo. 𝑞𝑞. Distancia entre los US. R. Número de rendezvous no simultáneos necesarios para lograr el. 𝑞𝑞(𝑡𝑡) 𝑆𝑆𝑢𝑢 (t). t. 𝑇𝑇. Gilbert Eliot. Gilbert Eliot. Distancia entre los US en la ranura de tiempo t. rendezvous entre todos los US Canal de comunicación visitado en la ranura de tiempo t Número de la ranura de tiempo Período de la secuencia de CH.

(6) 𝑡𝑡𝐿𝐿. Tiempo en el estado libre en el modelo Gilbert Eliot. 𝑉𝑉. Índice de diversidad de rendezvous. 𝑊𝑊. Número de canales en los cuales transmiten los UP. 𝑡𝑡𝑂𝑂. Tiempo en el estado ocupado en el modelo Gilbert Eliot. 𝑉𝑉�. Media del índice de diversidad de rendezvous. 𝛼𝛼. Fracción de canales en los cuales la comunicación entre los US puede. 𝜌𝜌. Factor de utilización de cada uno de los canales debido a la actividad de. 𝜎𝜎. Probabilidad de que la comunicación entre los US falle. 𝜙𝜙. Fracción de canales disponibles en escenarios con múltiples US en el. 𝜏𝜏. fallar. los UP. Tiempo necesario para el intercambio de la señalización. modelo asimétrico.

(7) LISTA DE FIGURAS Y TABLAS FIGURAS Ciclo MAC……………………………………………………………………... 1.1. 1.2 1.3 1.4 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13. Heterogeneidad del espectro percibido por los US ……………………………. Clasificación de los algoritmos de rendezvous en las CRN……...............…….. Comunicación dividida en ranuras de tiempo………………………………….. Distribución de los canales de comunicación……………………...…………… Diagrama de estados del modelo Gilbert-Eliot……………………...…………. Pseudocódigo del algoritmo SRB propuesto…………………………................ Secuencia de rendezvous en el algoritmo SRB………………………................ Ejemplo de secuencias S(t) y S(t + d)………………………………................. Ejemplo de secuencias de salto generadas con el algoritmos SSB para 𝑁𝑁 = 5... Pseudocódigo del algoritmo SSB propuesto…………………………................. Ejemplo de secuencia generada para evitar los casos de falla del SSB identificados por Ke et. al………………………………………………………. Distribución de los canales en el algoritmo FDCH…………………………… Pseudocódigo para generar las secuencias de salto en el algoritmo FDCH-RB.. Ejemplo de secuencias de salto generadas con el algoritmo FDCHRB………………………………………………………………………………. Pseudocódigo de la operación de remplazo……………………...…................... Modelo de canales usando dos radios…………………………………………... Pseudocódigo del algoritmo FDCH-CS propuesto………………...…………… Escenario multiusuario.………………………………...………………………. Ejemplo de escenarios multiusuario de interés……………...………….............. Rendezvous en escenarios multiusuario multisalto……….…………..………… Gráfica de 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 en función de 𝐻𝐻………………..……….………………. ETTR en el escenario simétrico con dos US…………………………………..... MTTR en el escenario simétrico con dos US…………………...……………… ETTR en el escenario asimétrico con dos US………………………………….. MTTR en el escenario asimétrico con dos US…………………………............. ETTR y MTTR en el escenario ideal con múltiples US y un solo salto………... ETTR en escenarios simétricos con múltiples US y un solo salto...…................ MTTR en escenarios simétricos con múltiples US y un solo salto...…............... ETTR en escenarios asimétricos con múltiples US y H = 1…………………… MTTR en escenarios asimétricos con múltiples US y H = 1…………………... ETTR en escenarios asimétricos con múltiples US para 𝐻𝐻 = 1 y 𝐺𝐺 = 1………. MTTR en escenarios asimétricos con múltiples US para 𝐻𝐻 = 1 y 𝐺𝐺 = 1…….... ETTR en el escenario ideal multisalto………………………………….............. MTTR en el escenario ideal multisalto………………………………………….. 10 13 14 18 31 32 36 36 39 42 44 46 48 50 51 53 54 54 58 60 62 64 72 73 75 76 79 80 81 82 82 84 84 86 86.

(8) 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 B.1 B.2 D.1 E.1 E.2 E.3 E.4 E.5 E.6. ETTR en escenarios simétricos multisalto…………………………………… MTTR en escenarios simétricos multisalto…………………………………... ETTR en escenarios asimétricos multisalto…………………………………….. MTTR en escenarios asimétricos multisalto………………………………........ ETTR en escenarios donde el rendezvous puede fallar………………………… MTTR en escenarios donde el rendezvous puede fallar………………………... Incremento en el TTR……………………...…………………………………… Impacto de la actividad de UP sobre el ETTR en el escenario simétrico………. Impacto de la actividad de UP sobre el MTTR en el escenario simétrico……… Impacto de la actividad de UP sobre el ETTR en el escenario asimétrico……... Impacto de la actividad de UP sobre el MTTR en el escenario asimétrico…… Ejemplo de secuencias generadas con el algoritmo DRSEQ para 𝑁𝑁 = 5………. Ejemplo de secuencias generadas con el algoritmo FRCH para 𝑁𝑁 = 5………... Escenarios multisalto con diferentes diámetros de la red………………………. Error en la estimación del ETTR en el escenario simétrico con dos US.............. Error en la estimación del ETTR en el escenario asimétrico con dos US………. Error en la estimación del ETTR en el escenario ideal con múltiples US y un solo salto………………………………………………………………………... 134 Error en la estimación del ETTR en el escenario simétrico con múltiples US y un solo salto…………………………………………………………………….. 134 Error en la estimación del ETTR en el escenario asimétrico con múltiples US y un solo salto…………………………………………………………………….. 135 Error de la estimación del ETTR en escenarios asimétricos con múltiples US para 𝐻𝐻 = 1 y 𝐺𝐺 = 1…………………………………………………………….. Error en la estimación del ETTR en el escenario ideal multisalto…………….... E.7 E.8 Error en la estimación del ETTR en el escenario simétrico multisalto………… E.9 Error en la estimación del ETTR en el escenario asimétrico multisalto……….. E.10 Error en la estimación del ETTR en escenarios donde el rendezvous puede E.11 F.1 F.2. 3.1. 135 136 136 137. fallar…………………………………………………………………………….. 138 Error en la estimación del ETTR en función del factor de utilización de los canales de la red primaria………………………………………………………. 139 Diagrama de flujo para CRN con dos US………………………………………. 140 Diagrama de flujo para CRN multiusuario……………………………………. TABLAS Resumen de las características de algoritmos de rendezvous representativos…. 1.1. 2.1 2.2. 87 89 89 90 92 94 96 98 99 100 101 123 125 129 133 133. 141. Resumen de la nomenclatura utilizada …………………………………………. 26 34. Resumen de las características de los algoritmos de rendezvous propuestos……….……………………………………………………………… Resultados analíticos y simulados en el escenario ideal………………................ 57 69.

(9) 3.2 3.3 E.1. Resultados en el caso crítico….……………………………………….……….... 76 Media del índice de diversidad en el rendezvous………………………............. 95 Error máximo en el caso crítico………………………………………………… 134.

(10) SÍNTESIS En esta tesis se proponen tres nuevos algoritmos de rendezvous para redes radio cognitivas, denominados algoritmo simple basado en roles (SRB), algoritmo basado en secuencia corta (SSB) y algoritmo de secuencia de salto de diversidad máxima (FDCH). Las propuestas se acompañan de un modelo analítico para calcular el valor esperado y el valor máximo del tiempo de rendezvous (ETTR y MTTR, respectivamente). El algoritmo SRB emplea una estrategia basada en roles que exhibe un ETTR equivalente al menor valor teóricamente previsible para este parámetro en escenarios ideales. Además garantiza que el rendezvous se produzca en los canales menos congestionados, proporcionando así un mecanismo espontáneo de balance de carga. De forma alternativa el algoritmo SSB se sustenta en una estrategia común en la que los usuarios cognitivos utilizan una secuencia de salto periódica para visitar los canales. Esta secuencia es la de menor período entre las conocidas hasta el momento, lo cual le permite obtener el valor de MTTR más bajo para los algoritmos de su clase. Por último, el algoritmo FDCH combina las fortalezas de las estrategias de los algoritmos anteriores mediante el uso de dos radios. Con este algoritmo se obtienen los mejores indicadores de desempeño en la mayoría de los escenarios de interés práctico. A diferencia de la mayoría de los trabajos precedentes, en esta investigación el análisis se extiende a escenarios complejos con múltiples usuarios y múltiples saltos. El eficaz funcionamiento de los algoritmos diseñados y la validez de los modelos matemáticos desarrollados es verificado y comparado con otras propuestas anteriores mediante técnicas de simulación de eventos discretos. Los resultados y aportes de esta investigación contribuyen al uso eficiente del espectro radioeléctrico y al desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios en las redes inalámbricas..

(11) ÍNDICE. ÍNDICE. INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 1 CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS ..................................... 9 1.1 Generalidades de los protocolos de acceso al medio en CRN ....................................... 9 1.2 Particularidades del rendezvous en las CRN ................................................................ 11 1.2.1 Heterogeneidad del espectro percibido por los US ............................................... 12 1.3 Clasificación de los algoritmos de rendezvous en las CRN ......................................... 13 1.3.1 Sistemas centralizados .......................................................................................... 14 1.3.2 Sistemas distribuidos............................................................................................. 15 1.4 Indicadores de desempeño de los algoritmos de rendezvous ....................................... 17 1.4.1 Tiempo y diversidad de rendezvous ...................................................................... 18 1.5 Acercamientos al problema del rendezvous verdaderamente ciego ............................. 20 1.6 Características de los algoritmos de rendezvous propuestos en la literatura................ 21 1.7 Criterios para la selección de los algoritmos empleados en las comparaciones........... 27 1.8 Conclusiones del capítulo ............................................................................................ 28 CAPÍTULO 2. ALGORITMOS DE RENDEZVOUS PROPUESTOS .................................. 30 2.1 Modelo del sistema ...................................................................................................... 30 2.2 Índice de diversidad de rendezvous.............................................................................. 33 2.3 Algoritmo de rendezvous simple basado en roles ........................................................ 34 2.3.1 Modelo matemático del algoritmo SRB ................................................................ 36 2.4. Rendezvous basado en estrategias comunes ........................................................... 38. 2.4.1 Algoritmo de rendezvous basado en secuencia corta ............................................ 41 2.4.2 Modelo matemático del algoritmo SSB ................................................................ 42 2.4.3 Operación de remplazo del algoritmo SSB ........................................................... 44 2.5 Rendezvous empleando múltiples radios ...................................................................... 46 2.5.1 Algoritmo de rendezvous con diversidad máxima basado en roles....................... 48 2.5.2 Modelo matemático del algoritmo FDCH-RB ...................................................... 51 2.5.3 Eliminación de la asignación previa de roles ........................................................ 53 2.5.4 Modelo matemático del algoritmo FDCH-CS ...................................................... 54 2.6 Resumen de los algoritmos de rendezvous propuestos ................................................ 56 2.7 Rendezvous entre múltiples usuarios secundarios ........................................................ 57 2.7.1 Adecuación del modelo matemático a escenarios multiusuario............................ 60 2.8 Conclusiones del capítulo ............................................................................................ 64. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. i.

(12) ÍNDICE. CAPÍTULO 3. EVALUACIÓN DE LOS ALGORITMOS DE RENDEZVOUS PROPUESTOS....................................................................................................................... 66 3.1 Escenarios de simulación ............................................................................................. 66 3.2 Rendezvous para dos US .............................................................................................. 68 3.2.1 Escenario ideal ...................................................................................................... 68 3.2.2 Escenario simétrico ............................................................................................... 71 3.2.3 Escenario asimétrico ............................................................................................. 73 3.3 Rendezvous multiusuario en CRN con un solo salto .................................................... 77 3.3.1 Escenario ideal con H=1 ....................................................................................... 78 3.3.2 Escenario simétrico con H=1 ................................................................................ 79 3.3.3 Escenario asimétrico con H=1 .............................................................................. 81 3.4 Rendezvous multiusuario multisalto............................................................................. 85 3.4.1 Escenario ideal multisalto ..................................................................................... 85 3.4.2 Escenario simétrico multisalto .............................................................................. 87 3.4.3 Escenario asimétrico multisalto ............................................................................ 89 3.5 Impacto de las condiciones y disponibilidad de los canales de comunicación ............ 90 3.5.1 Impacto de las condiciones de los canales de comunicación y la competencia con otros usuarios secundarios.............................................................................................. 91 3.5.2 Impacto de la actividad de usuarios primarios ...................................................... 96 3.6 Conclusiones del capítulo .......................................................................................... 101 CONCLUSIONES ............................................................................................................... 104 RECOMENDACIONES ...................................................................................................... 108 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 109 ANEXOS ............................................................................................................................. 118 Anexo A. Cálculo de las métricas de desempeño para los algoritmos propuestos .......... 118 Anexo B. Cálculo del ETTR para los algoritmos DRSEQ y FRCH ................................ 123 Anexo C. Demostración de los teoremas ......................................................................... 127 Anexo D. Diámetro de la red resultante y número de rendezvous no simultáneos .......... 129 Anexo E. Margen de error en la estimación de los valores de ETTR .............................. 132 Anexo F. Implementación en MatLab R2012a de los algoritmos empleados en las comparaciones.................................................................................................................. 140. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. ii.

(13) INTRODUCCIÓN.

(14) INTRODUCCIÓN. INTRODUCCIÓN La creciente demanda y desarrollo de aplicaciones inalámbricas ha conducido a que la escasez del espectro radioeléctrico disponible se haya convertido en un obstáculo para la introducción de nuevas aplicaciones y servicios inalámbricos. La asignación del espectro es realizada mediante licencias otorgadas por agencias reguladoras que destinan diferentes bandas de frecuencia para tecnologías o servicios específicos (difusión de radio y televisión, redes celulares o redes de datos inalámbricas). Esta asignación es realizada de manera fija y solo se exceptúan un pequeño conjunto de bandas de frecuencias como la banda ISM (Industrial Scientific and Medical) por sus siglas en inglés. Algunas mediciones de la utilización del espectro radioeléctrico [1], [2] han demostrado que gran parte del espectro asignado es subutilizado la mayor parte del tiempo. Sin embargo, las bandas no reguladas son insuficientes debido al creciente número de aplicaciones que las utilizan. Las redes radio cognitivas, CRN (Cognitive Radio Networks) por sus siglas en inglés, constituyen una tecnología que permite enfrentar el problema de la escasez de espectro radioeléctrico así como dar un uso eficiente al mismo [3]. En una CRN un conjunto de dispositivos, denominados usuarios secundarios (US) o usuarios cognitivos, exploran el espectro radioeléctrico para identificar las bandas de frecuencia que no están siendo usadas por los usuarios autorizados a operar en estos canales, denominados usuarios primarios (UP). El conjunto de bandas de frecuencias libres de actividad de usuarios primarios se denomina canales disponibles y son usados para la comunicación entre los usuarios secundarios. Para lograr establecer la comunicación, dos usuarios secundarios deben coincidir en una misma banda de DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 1.

(15) INTRODUCCIÓN. frecuencia e intercambiar la información de señalización necesaria. Este proceso es denominado rendezvous y es esencial para el funcionamiento de las CRN. El diseño de algoritmos para garantizar rendezvous entre dos o más usuarios secundarios es particularmente complejo en el contexto de las CRN, debido fundamentalmente a que el conjunto de canales disponibles identificado por cada usuario secundario puede ser diferente. Numerosos trabajos han sido publicados proponiendo diferentes algoritmos de rendezvous, algunos de ellos [4]–[14] consideran la presencia de un canal de control común, CCC (Common Control Channel) por sus siglas en inglés, en el cual todos los usuarios secundarios coinciden e intercambian la información de señalización. Aunque esta variante es la más simple, el CCC se congestiona cuando aumenta el número de usuarios secundarios o el tráfico generado [15]. Otro acercamiento para lograr rendezvous lo constituyen las secuencias de salto de canal, CH (Channel Hopping) por sus siglas en inglés. En este caso cada usuario secundario salta a través de cada uno de los canales disponibles con “la esperanza” de coincidir en uno de ellos con alguno de sus vecinos, este proceso es conocido como rendezvous ciego. Los algoritmos utilizados para generar las CH son denominados algoritmos o estrategias de rendezvous. Las potencialidades del rendezvous ciego para prevenir las dificultades del CCC han captado la atención de los investigadores en los últimos años y algunos de los algoritmos propuestos consideran que los usuarios secundarios están perfectamente sincronizados. Sin embargo, el sincronismo no es fácil de conseguir en las CRN por lo que gran parte de los trabajos recientemente publicados proponen algoritmos de rendezvous ciego sin necesidad de sincronismo entre los usuarios secundarios, este proceso es conocido como rendezvous verdaderamente ciego.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 2.

(16) INTRODUCCIÓN. Tradicionalmente, el tiempo de rendezvous, TTR (Time To Rendezvous) por sus siglas en inglés, ha sido el principal parámetro empleado para describir el desempeño de estos algoritmos y se define como el tiempo necesario para que dos usuarios secundarios coincidan en un mismo canal e intercambien la información de señalización, es decir, realicen rendezvous. El TTR ha sido evaluado en la mayoría de los trabajos publicados hasta la fecha a partir de su valor esperado (ETTR) y de su valor máximo (MTTR). Numerosos algoritmos han sido propuestos para lograr rendezvous verdaderamente ciego. Los más notables son resumidos por Liu et al. [16]. La mayoría tienen como principal objetivo minimizar el TTR, aunque no todos los autores realizan un análisis matemático riguroso de este parámetro, siendo evaluado en algunos casos solo mediante simulación. Otros autores han considerado parámetros diferentes para evaluar y caracterizar estos algoritmos. Por ejemplo, Bian et al. [17], [18] proponen algoritmos que maximizan el número de canales en los cuales ocurre el rendezvous y utilizan el término diversidad de rendezvous para indicar el número de canales donde los usuarios cognitivos coinciden. Aunque este parámetro también es importante en el desempeño de los algoritmos de rendezvous verdaderamente ciego, solo ha sido evaluado cuantitativamente por Chang et al. [19], pero en ningún caso ha sido estudiado su impacto sobre el TTR. Otro aspecto a considerar para caracterizar estos algoritmos es la posibilidad de establecer el rendezvous simultáneamente entre más de dos usuarios secundarios. Sin embargo, muy pocos autores [20]–[22] han incluido en sus propuestas estrategias para garantizar el rendezvous multiusuario. Lo expuesto hasta aquí evidencia que los algoritmos de rendezvous han evolucionado y en la actualidad están centrados en garantizar un rendezvous verdaderamente ciego. Aunque han sido propuestos numerosos algoritmos, la obtención de estrategias de rendezvous óptimas que logren valores mínimos de TTR sigue siendo un reto en el DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 3.

(17) INTRODUCCIÓN. contexto de las CRN. A partir de lo anterior el problema científico de esta investigación es: ¿cómo garantizar el rendezvous verdaderamente ciego entre dos o más usuarios secundarios en el contexto de las CRN logrando valores de TTR menores que los alcanzados por los algoritmos existentes actualmente? De aquí que el objeto de estudio de esta investigación se centra en las redes inalámbricas, específicamente en las redes radio cognitivas, y el campo de acción está enmarcado en los algoritmos que garantizan la coincidencia de dos o más usuarios secundarios en un mismo canal de comunicación en una red multicanal. La hipótesis que se define en este trabajo plantea que: es posible obtener menores valores de TTR que los alcanzados por los algoritmos de rendezvous que hasta el momento han sido propuestos en otras investigaciones. En correspondencia con el problema planteado el objetivo general de este trabajo es desarrollar algoritmos de rendezvous para redes radio cognitivas que garanticen el rendezvous entre dos o más usuarios secundarios y consigan menores valores de TTR respecto a otros algoritmos conocidos. Para el cumplimiento del mismo se declaran los siguientes objetivos específicos:  Identificar las particularidades del proceso de rendezvous en las redes radio cognitivas.  Caracterizar los algoritmos de rendezvous propuestos para el contexto de las redes radio cognitivas.  Seleccionar las mejores estrategias para el diseño de algoritmos que logren elevar los indicadores de desempeño  Elaborar un modelo analítico que permita el cálculo del ETTR y MTTR para los algoritmos de rendezvous propuestos.  Evaluar los algoritmos propuestos analíticamente y mediante simulación de eventos discretos. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 4.

(18) INTRODUCCIÓN.  Determinar el impacto de la diversidad en el rendezvous, las condiciones de los canales de comunicación y la actividad de UP sobre el TTR. En la investigación se hace uso de los métodos teóricos de análisis-síntesis e inductivodeductivo para evaluar el alcance de los algoritmos de rendezvous propuestos en la literatura y para conceptualizar los resultados empíricos. Se hace uso de la modelación para el desarrollo de los algoritmos propuestos. Además son empleados como métodos empíricos el experimento científico y la simulación para evaluar los resultados de los algoritmos de rendezvous que se proponen, así como para compararlos con otros algoritmos conocidos. La novedad científica de este trabajo radica en la obtención de tres algoritmos de rendezvous que presentan un mejor desempeño en términos de TTR que los algoritmos publicados hasta la fecha en escenarios de interés práctico. Así mismo, el estudio del impacto de la diversidad de rendezvous sobre el TTR y el análisis de estas estrategias en escenarios complejos con múltiples usuarios y múltiples saltos también se resalta como una novedad del presente trabajo. Adicionalmente constituyen un aporte teórico los modelos matemáticos desarrollados para obtener los valores de los principales parámetros de desempeño de los algoritmos de rendezvous. Los cuales han demostrado ser más precisos que los anteriores y pueden ser fácilmente extendidos al análisis de otras estrategias. Con este trabajo se profundiza y sistematiza el conocimiento sobre los algoritmos de rendezvous en redes radio cognitivas, sentando las bases para el desarrollo de mecanismos de control de acceso al medio en estas redes que permitan un aprovechamiento más eficiente de los recursos disponibles. La disminución del TTR que se obtiene mediante los algoritmos de rendezvous propuestos en esta investigación permite agilizar el comienzo del intercambio de datos entre los usuarios cognitivos y con ello contribuye a elevar el volumen de datos que se DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 5.

(19) INTRODUCCIÓN. intercambia en estas redes. La relevancia social de esta investigación está dada por la aplicabilidad de los algoritmos desarrollados en el perfeccionamiento de las CRN, contribuyendo al uso eficiente del espectro radio eléctrico y al desarrollo de nuevas aplicaciones y servicios que permitan aumentar el número de clientes de las redes inalámbricas, específicamente de las CRN. El informe está estructurado de la siguiente forma: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones, referencias bibliográficas y anexos. En el Capítulo 1 se describen los retos del rendezvous en las CRN y se realiza una clasificación de los algoritmos de rendezvous en este contexto. Se definen los parámetros empleados para evaluar el desempeño de estos algoritmos y por último se realiza un análisis crítico de los principales algoritmos de rendezvous propuestos en la literatura. En el Capítulo 2 se establecen los elementos preliminares del modelo del sistema. Se define un nuevo índice para cuantificar la diversidad de rendezvous. Se proponen tres algoritmos de rendezvous, cada uno acompañado de un riguroso análisis matemático. Finalmente se extiende el modelo matemático a escenarios complejos con múltiples usuarios y múltiples saltos. En el Capítulo 3 son contrastados los resultados obtenidos mediante simulación de eventos discretos con los resultados analíticos obtenidos en el capítulo anterior, verificando así la precisión del modelo analítico propuesto para estimar los valores asociados al TTR. Igualmente, mediante la simulación, se establece una comparación entre los algoritmos propuestos y otros exponentes reportados en la literatura. Posteriormente se presentan las conclusiones derivadas de este trabajo así como un grupo de recomendaciones para enriquecer esta investigación. El informe concluye con varios anexos que aportan mayor información sobre las demostraciones y cálculos. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 6.

(20) INTRODUCCIÓN. realizados durante el trabajo, así como sobre las herramientas utilizadas para la simulación. Esta investigación ha sido realizada con el apoyo de CAPES, Brasil y MES, Cuba y amparada bajo el proyecto de colaboración CAPES/MES 175/12 entre la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), la Universidad Tecnológica Federal de Paraná (UTFPR) y la Universidad Federal de Paraná (UFPR). La producción científica relacionada con esta investigación incluye los siguientes artículos publicados:  “Systematic Construction of Common Channel Hopping Rendezvous Strategies in Cognitive Radio Networks”. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, 2015. Indexada en ISI-WoS [23]  “Simple role-based rendezvous algorithm for cognitive ad hoc radio networks”. Electronics Letters, 2013. Indexada en ISI-WoS [24]  “Short Channel Hopping Sequence Approach to Rendezvous for Cognitive Networks”. IEEE Communications Letters, 2013. Indexada en ISI-WoS [25]  “Comparación de los protocolos MACAW y T_Lohi para redes subacuáticas”. Revista Cubana de Ingeniería, 2011. Indexada en LATINDEX [26]  “Análisis mediante simulación de mecanismos de control de acceso al medio para redes RFID”. Revista de Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, 2011. Indexada en SciELO [27] También se ha publicado en las memorias de eventos:  VIII Congreso Internacional de Telecomunicaciones y Telemática CITTEL 2014, La Habana, Cuba, 2014, “Protocolos MAC en redes ad hoc de radio cognitiva”. [28]. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 7.

(21) INTRODUCCIÓN.  VI Congreso Internacional de Telemática y Telecomunicaciones CITTEL’10, La Habana, Cuba, 2010, “Análisis y simulación del protocolo UWAN-MAC para redes de sensores subacuáticas”. [29] Los resultados de esta investigación recibieron un reconocimiento a nivel provincial del Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente (CITMA) en el año 2014 por el trabajo “Algoritmos de rendezvous en redes radio cognitivas”.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 8.

(22) CAPÍTULO 1.

(23) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS Este capítulo está dedicado a describir las particularidades de los algoritmos de rendezvous en las CRN y se presenta una clasificación de los mismos. Son descritos los principales indicadores tradicionalmente empleados para evaluar el desempeño de estos algoritmos. Además se realiza una caracterización de numerosos algoritmos de rendezvous reportados en la literatura. 1.1 Generalidades de los protocolos de acceso al medio en CRN Los protocolos de acceso al medio, conocidos como MAC (Medium Access Control) por sus siglas en inglés, poseen vital importancia en las CRN. La exploración de los canales de la red, la asignación de los canales disponibles para la comunicación entre los usuarios secundarios (US) y la manera en que los US y los usuarios primarios (UP) comparten el espectro, constituyen las funciones más relevantes de los protocolos MAC [30]. Múltiples estudios enfocados a caracterizar y clasificar los protocolos MAC en las CRN han sido realizados. En [30] son resumidos algunos de los trabajos más relevantes en esta área. Recientemente, Gavrilovska et al. [31] proponen un modelo genérico para clasificar los protocolos MAC en las CRN a partir de tres funciones genéricas: explorar el espectro, compartir el espectro y establecer un canal de control. Este modelo se denomina ciclo MAC y es mostrado en la Figura 1.1. La exploración del espectro constituye una función esencial de los protocolos MAC en las CRN, permitiendo a los US identificar los canales libres de actividad de UP. Este proceso posee importantes retos relacionados con la duración de la exploración. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 9.

(24) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. del espectro, el número de canales a explorar así como las técnicas empleadas para identificar los canales libres.  Garantizar la coincidencia de dos o más US en un canal de comunicación en un mismo instante de tiempo.. Establecer un canal de control. Exploración del espectro  Identificar canales libres.  Definir el tiempo de exploración.  Identificar el número de canales a explorar.. Compartir el espectro  Usar de forma eficiente los canales libres.  Coordinar el acceso de múltiples US al canal de comunicaciones.  Limitar/evitar la interferencia a los UP.. Figura 1.1 Ciclo MAC (figura adaptada de [31]).. Atendiendo a la duración del proceso de exploración son identificados dos tipos de exploración del espectro [31]: exploración reactiva y exploración proactiva. La exploración reactiva se realiza en el momento en que un US arriba a un canal de la red y su principal objetivo es identificar la disponibilidad de este canal. Por otra parte, la exploración proactiva, es realizada periódicamente y su principal objetivo es chequear la presencia de UP en múltiples canales. Ambos tipos de exploración pueden ser empleadas de manera conjunta, sin embargo, el aumento del tiempo dedicado a la exploración del espectro limita el tiempo de transmisión de los US. Compartir el espectro constituye otra de las funciones genéricas de los protocolos MAC. Este proceso debe garantizar un uso eficiente de los canales libres, identificados como resultado de la exploración del espectro. Además debe coordinar el acceso al medio de múltiples US de manera justa en los canales libres así como evitar o limitar la interferencia con los UP. La tercera función de los protocolos MAC en las CRN es el establecimiento de un canal de control. Esta función es particularmente importante debido a que las CRN DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 10.

(25) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. constituyen redes multicanal en las cuales cada uno de los US puede acceder a varios canales. En consecuencia la coincidencia de dos US en un canal en el mismo instante de tiempo es una condición necesaria para establecer la comunicación. El proceso mediante el cual dos o más US intentan coincidir en un canal comúnmente identificado como disponible para intercambiar la información de señalización (handshake) se denomina rendezvous [32], [33]. Otros autores [34]–[36] también se han referido a este proceso como descubrimiento de vecinos. La presente investigación está centrada en los mecanismos para el establecimiento del canal de control, mediante el uso de técnicas de rendezvous. De la misma forma que en numerosas investigaciones relacionadas con este tópico [17]–[22], [37]–[42], en ella se hace abstracción de las funciones relacionadas con explorar y compartir el espectro. En las secciones siguientes se particulariza en el estudio del establecimiento del canal de control en las CRN. 1.2 Particularidades del rendezvous en las CRN Alpern [43] identifica dos variantes diferentes de rendezvous teniendo en cuenta la estrategia seguida por cada una de las entidades involucradas. Cuando las entidades pueden diferenciar previamente el rol de cada una, entonces, pueden seguir estrategias diferentes para lograr el encuentro, esta variante es denominada como RB (Role Based) por sus siglas en inglés. Si la asignación previa de roles no es viable, el rendezvous es identificado como CS (Common Strategy) por sus siglas en inglés. Numerosos algoritmos han sido diseñados para ordenar el acceso al canal de los usuarios en diferentes escenarios inalámbricos como por ejemplo en las redes de sensores o en las redes de identificación por radio frecuencia [26], [27], [29]. Sin embargo, las características de las CRN hacen que el diseño de mecanismos de. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 11.

(26) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. control de acceso al medio y específicamente de las estrategias de rendezvous sea particularmente complejo en estas redes. Dentro de una CRN los US pueden identificar de manera única cada uno de los canales de la red, utilizando por ejemplo, las frecuencias de operación. Según Alpern [43], este conocimiento compartido del área de búsqueda contribuye a simplificar el proceso de rendezvous. Sin embargo, existen otras características de estas redes que lo complejizan e imponen nuevos retos. Lo [44] describe la heterogeneidad del espectro radioeléctrico percibido por los US como el principal reto en estos escenarios. 1.2.1 Heterogeneidad del espectro percibido por los US En las CRN los US exploran los canales de la red primaria con el objetivo de identificar y hacer un uso “oportunista” de aquellas bandas de frecuencia no utilizadas. A pesar de que han sido desarrolladas algunas técnicas eficientes de exploración del espectro [45]–[48], este proceso no está libre de errores y algunos de los canales de la red pueden ser erróneamente identificados como disponibles u ocupados [49], [50]. Las imperfecciones en la exploración del espectro, unido a las diferencias en la posición geográfica de cada US con respecto a los UP, hacen que los canales identificados como disponibles por los US puedan o no coincidir. En la Figura 1.2 cada uno de los US puede acceder a cualquiera de las tres bandas de frecuencia pero sólo algunos de ellos perciben igual actividad en los canales de la red primaria. Por ejemplo: el usuario secundario uno (US-1) y US-2 perciben la misma actividad de UP en la banda asignada I. Sin embargo, US-2 y US-3 pueden percibir de forma diferente la banda asignada I.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 12.

(27) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. Banda Libre. US-3. Banda Asignada I. US-2 US-1. Banda Asignada II. Redes primarias. Redes radio cognitivas. Figura 1.2 Heterogeneidad del espectro percibido por los US (figura adaptada de [51]).. Estas diferencias en la percepción del estado de los canales se denomina heterogeneidad del espectro percibido por los US, siendo identificados dos modelos diferentes [16], [21] simétrico y asimétrico. Si los US comparten los mismos canales disponibles se denomina modelo simétrico, si los US comparten diferentes canales disponibles se denomina modelo asimétrico. El modelo asimétrico es más general pero las estrategias de rendezvous en este escenario suelen ser más complejas. Ambos modelos son importantes en la práctica. El modelo simétrico es representativo de CRN donde los US se encuentran en un área relativamente pequeña comparada con la distancia que los separa de los UP. Mientras que, el modelo asimétrico, aparece cuando los US están desplegados en una región extensa con la presencia de una o más redes primarias [42]. 1.3 Clasificación de los algoritmos de rendezvous en las CRN Las estrategias de rendezvous en las CRN han sido clasificadas atendiendo a diferentes criterios. En [30] los autores realizan una clasificación de acuerdo al tipo de acceso, identificando dos grupos: acceso directo o acceso dinámico. Otros autores DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 13.

(28) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. [4], [52] realizan una clasificación atendiendo a grupos funcionales y dividen los algoritmos de rendezvous en tres grupos: basados en clúster, basado en secuencia y con canal de control común dedicado. Estas clasificaciones han sido definidas teniendo en cuenta las características de los protocolos de acceso al medio en redes con múltiples canales, sin embargo no son adecuadas en el entorno de las CRN. Un análisis de las limitaciones de estas clasificaciones se puede encontrar en [31], [44]. Otros trabajos publicados recientemente [15], [16], [21], [53] han extendido la clasificación atendiendo a la arquitectura de la red que fuera inicialmente presentada en [54]. La Figura 1.3 muestra esta clasificación. Rendezvous en CRN. Sistemas centralizados Empleando canal de control común (CCC). Sin canal de control común. Sistemas distribuidos Empleando canal de control común (CCC). Rendezvous ciego. Sincrónicos. Asincrónicos. Figura 1.3 Clasificación de los algoritmos de rendezvous en las CRN (figura adaptada a partir de [16]).. 1.3.1 Sistemas centralizados En los sistemas centralizados, también conocidos como basados en infraestructura, una estación base controla el acceso de los usuarios cognitivos a los canales disponibles. Algunos autores [55], [56] consideran que la estación base opera sobre un CCC pre-determinado y accesible para todos los usuarios de la red cognitiva. El empleo de un CCC facilita la comunicación entre los US y la estación base. Sin embargo, si la comunicación en este canal es interrumpida debido al ruido o a la interferencia, el funcionamiento de toda la red queda comprometido.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 14.

(29) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. El empleo de un CCC dedicado no es la principal limitante de los sistemas basados en infraestructura, de hecho, algunos trabajos [57], [58] consideran otras variantes para establecer la comunicación entre los US. Sin embargo, los sistemas basados en infraestructura tienen el inconveniente de tener limitada escalabilidad y robustez y el empleo de una estación base puede convertirse en un “cuello de botella” que afecte el desempeño de toda la red [22]. 1.3.2 Sistemas distribuidos En los sistemas distribuidos cada US gestiona de forma autónoma el acceso a los canales de la CRN. En estos sistemas el empleo de un CCC es la forma más simple para lograr rendezvous entre los US. En esta variante uno de los canales es marcado como el CCC, funcionando como canal de rendezvous y toda la información de señalización es intercambiada en este canal. Algunos de los algoritmos desarrollados que utilizan esta variante [5]–[8], [28], consideran un CCC pre-asignado que es compartido por todos los usuarios cognitivos. Sin embargo, la heterogeneidad del espectro percibido por los US descrita en el epígrafe 1.2.1, hace que la existencia de un CCC disponible para todos los US no sea posible en todos los escenarios [21]. En algunos trabajos publicados [9]–[13] se propone agrupar los US en clústeres de acuerdo a los canales disponibles de cada uno y posteriormente seleccionar un CCC entre ellos. Otros autores [4], [14] han considerado la selección dinámica del CCC para establecer el rendezvous en aquellos canales donde no es detectada la presencia de UP. Aunque el CCC facilita la comunicación entre los usuarios cognitivos y simplifica el proceso de rendezvous, el empleo de esta variante posee limitaciones [15], [16], [22]. Cuando se detecta actividad de algún UP en el CCC, todos los usuarios cognitivos deben abandonar este canal inmediatamente con lo que el desempeño de la CRN se. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 15.

(30) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. degrada. Además, el aumento en la cantidad de US o en la carga de tráfico generada, hacen que el CCC se sature [59] y aunque la división de la CRN en clústeres contribuye a prevenir este problema, los costos en el establecimiento y mantenimiento del CCC son considerables [44]. Debido a estas limitaciones, en los últimos años han sido desarrollados algoritmos de rendezvous sin el empleo del CCC, que son conocidos como algoritmos de rendezvous ciego. Una solución típica al problema del rendezvous ciego es el uso de secuencias de salto de canal (CH) [16], en las cuales cada usuario cognitivo identifica el conjunto de canales disponibles y salta a través de los mismos hasta coincidir con alguno de sus vecinos. El principal objetivo del algoritmo para generar las secuencias de CH es garantizar la coincidencia de dos US en un mismo canal. Una variante sencilla para generar las secuencias de CH son los algoritmos aleatorios, en los cuales cada US decide su propia secuencia de CH de forma aleatoria. Aunque este acercamiento ha sido utilizado en algunos trabajos [33], [60]– [64], la naturaleza aleatoria de estos algoritmos hace que el tiempo máximo de rendezvous no sea finito y por tanto existe la posibilidad de que los usuarios cognitivos nunca coincidan en un mismo canal. Otros autores [36], [38], [40], [65]–[69] han presentado algoritmos para generar las secuencias de CH considerando que los US están perfectamente sincronizados. A pesar de que estos algoritmos garantizan un tiempo máximo de rendezvous finito, el sincronismo entre US es difícil de mantener [44], [70]. Algunos trabajos [71], [72] han propuesto que cada usuario cognitivo esté equipado con un GPS para garantizar el sincronismo, sin embargo esta alternativa eleva considerablemente el costo de los dispositivos y no es aplicable en todos los escenarios. La imposibilidad de los algoritmos aleatorios de garantizar un tiempo máximo de rendezvous finito así como las dificultades para alcanzar y mantener el sincronismo, DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 16.

(31) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. han motivado que numerosos autores [17]–[22], [32], [37]–[39], [41], [42], [73]–[83] consideren algoritmos deterministas para generar las secuencias de CH en escenarios donde los dispositivos no están sincronizados. Estos algoritmos garantizan un funcionamiento autónomo de cada uno de los dispositivos de la red así como un rendezvous “verdaderamente ciego” [37], [53]. Esta investigación está centrada en estos algoritmos y en lo adelante serán utilizados los términos algoritmos o estrategias de rendezvous para hacer referencia a ellos. 1.4 Indicadores de desempeño de los algoritmos de rendezvous En la mayoría de los trabajos que se centran en el rendezvous en las CRN se considera que el tiempo está dividido en ranuras de duración fija. En cada ranura de tiempo los usuarios cognitivos visitan uno de los canales de la red e intentan el rendezvous. Es por ello que la duración de las ranuras de tiempo es un aspecto a considerar en el diseño de estas estrategias. Aun cuando dos US coincidan en un mismo canal, para completar el rendezvous es necesario que el tiempo que ambos permanecen en este canal sea suficiente para intercambiar la información de señalización. Por otra parte, según se describió en el epígrafe 1.3.2, considerar que los US están perfectamente sincronizados no es factible en todos los escenarios. Con el objetivo de garantizar el rendezvous en escenarios asincrónicos, Yang et al. [78] proponen que la duración de cada ranura de tiempo sea como mínimo 2𝜏𝜏, siendo 𝜏𝜏 el tiempo necesario para el intercambio de la. señalización. De esta forma se logra que la superposición entre dos ranuras de tiempo sea suficiente para completar el rendezvous, tal como se muestra en la Figura 1.4. Posteriormente Liu et al. [21] demostraron que esta consideración es equivalente a que los US estén sincronizados con respecto al inicio de cada ranura de tiempo (ver Figura 1.4 b)). El valor de 𝜏𝜏 depende de la estrategia de señalización que DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 17.

(32) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. implementen los US, por ejemplo en el estándar 802.22 [84], [85] que norma el uso de la redes cognitivas se propone 𝜏𝜏 = 10ms. Ranuras de tiempo. 0. 2. 1. 3. 4. …. US-1 US-2. … 2τ. τ. …. a) Ranuras equivalentes. 0. 1. 2. 3. 4. … …. US-1 US-2 2τ. b) Figura 1.4 Comunicación dividida en ranuras de tiempo (figura adaptada a partir de [21]). a) Superposición de dos ranuras de tiempos en 2𝜏𝜏. b) Ranuras de tiempo alineadas.. 1.4.1 Tiempo y diversidad de rendezvous El tiempo de rendezvous (TTR) es el parámetro más empleado para evaluar el desempeño de los algoritmos de rendezvous. Gran parte de los trabajos enfocados en el diseño de estos algoritmos [20]–[22], [32], [37], [42], [73]–[75], [77], [78] consideran el TTR como el número de ranuras de tiempo necesarias para que dos usuarios cognitivos coincidan en un mismo canal. Otros autores [17], [18], [38], [39], [82] han evaluado el TTR en unidades de tiempo, con lo cual también consideran la efectividad del mecanismo de señalización empleado (el valor de 𝜏𝜏, ver epígrafe anterior). Esta investigación se centra en los algoritmos para generar las secuencias. de salto y no hace distinción con relación a los mecanismos de señalización, tal y como fue planteado al final del epígrafe 1.1. En consecuencia el TTR será evaluado, según la definición presentada en [37], [42], como el número de ranuras de tiempo necesarias para que dos US logren el rendezvous a partir de que ambos han comenzado a intentarlo. Frecuentemente son empleadas dos parámetros diferentes para evaluar el TTR:  ETTR: valor esperado del TTR. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 18.

(33) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS.  MTTR: máximo TTR. Estos valores son analíticamente calculados considerando que todos los canales están disponibles para los US. El principal objetivo de los algoritmos de rendezvous es minimizar ambos indicadores. Recientemente Chang et al. [41] y Bian et al. [82] definieron el máximo TTR condicional (MCTTR) como el MTTR cuando no todos los canales están disponibles para los usuarios cognitivos. Nótese que si el valor de MCTTR es finito, los usuarios cognitivos logran el rendezvous aun cuando solo exista un canal común disponible, en tal caso se dice que las secuencias de CH garantizan rendezvous. Otro elemento que puede ser tomado en consideración para evaluar el desempeño de estos algoritmos es el número de canales en los cuales coinciden los US. Bian et al. [18] se refieren a este parámetro como diversidad de rendezvous. Este parámetro es particularmente importante debido a que aun cuando dos US visiten un canal común disponible en la misma ranura de tiempo, la comunicación entre ellos puede fallar debido al desvanecimiento, la interferencia o la presencia de otros US en el mismo canal. En estos casos si los usuarios cognitivos solo coinciden en pocos canales, el rendezvous estará condicionado por las características de estos canales, degradándose así el desempeño en términos de TTR. Aunque algunos de los algoritmos propuestos por diferentes autores [17], [18], [37]– [39], [42], [86] garantizan rendezvous en todos los canales de la CRN, es decir diversidad máxima de rendezvous, en los mismos solo se utiliza una valoración cualitativa para evaluar este parámetro. Una excepción lo constituye el algoritmo presentado por Chang et al. [19], en el cual se utiliza el término grado de rendezvous, definido como el número mínimo de canales en los cuales los US coinciden. Sin embargo, en ninguno de los artículos estudiados durante esta investigación se evalúa el impacto directo de la diversidad de rendezvous sobre el TTR. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 19.

(34) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. Además de los parámetros mencionados anteriormente, otro aspecto a considerar es la posibilidad de garantizar el rendezvous entre más de dos US, es decir, rendezvous multiusuario. Una variante simple para lograrlo es a través del rendezvous por pares. Esta alternativa fue presentada por Liu et al. [21] y considera que una vez que dos US coincidan en un mismo canal ambos sincronizan los parámetros necesarios para generar secuencias de salto idénticas a partir de ese momento. Nótese que, aun cuando no exista sincronismo entre los US, la sincronización de parámetros garantiza que cada uno de ellos genere secuencias de salto idénticas y alineadas en el tiempo. En lo adelante será usado el término sincronismo de secuencia para hacer referencia a este tipo de sincronismo. De esta forma el rendezvous entre todos los US de la red es logrado cuando todos hayan sincronizado sus secuencias. En principio la alternativa del rendezvous por pares puede ser aplicada a cualquier algoritmo. Sin embargo, los mismos por sí solo no garantizan rendezvous multiusuario y adicionalmente se necesitan implementar estrategias para que los US sincronicen sus secuencias. La estrategia de rendezvous por pares presenta el “problema de la ruptura del sincronismo de secuencia” [23] que será discutido en detalles en el epígrafe 2.6. A pesar de que han sido publicadas numerosas estrategias de rendezvous, solo en las presentadas en [20], [21], [71] los autores extienden sus propuestas al rendezvous entre múltiples usuarios. 1.5 Acercamientos al problema del rendezvous verdaderamente ciego Teniendo en cuenta la teoría matemática empleada, los algoritmos de rendezvous desarrollados hasta el momento pueden ser clasificados en tres grupos [76], [87]:  Algoritmos que utilizan la aritmética de números primos para generar las secuencias de salto.  Algoritmos basados en sistemas quórum.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 20.

(35) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS.  Algoritmos que emplean secuencias no ortogonales. La aritmética de números primos ha sido utilizada por varios autores [21], [22], [37], [42], [73], [75], [77]. En estos algoritmos cada US utiliza un número primo como semilla para generar las secuencias de CH. Aunque el método para seleccionar el número primo no es igual en todos los algoritmos, en todos los casos esta semilla es mayor o igual que el número de canales de la CRN. Un sistema quórum es una abstracción matemática y se define como una colección de subconjuntos (llamados quórums), tal que, la intersección entre cualquier par de subconjuntos no es nula [88]. Aunque algunos autores [17], [18], [38], [79]–[82] han utilizado este acercamiento para generar las secuencias de salto, las estrategias de rendezvous basadas en sistemas quórum son matemáticamente más complejas que las estrategias que utilizan el álgebra de números primos. DaSilva et al. [32] presentaron uno de los primeros algoritmos basados en secuencias no ortogonales, en el cual todos los usuarios cognitivos generan secuencias de salto idénticas. Estas secuencias de salto son construidas de manera tal que garanticen que dos usuarios cognitivos coincidan en un mismo canal aun cuando hayan comenzado sus respectivas secuencias en instantes de tiempo diferentes. Recientemente, otros autores [19], [20], [39], [41], [78], [83] han utilizado este mismo acercamiento para proponer algoritmos que logran mejores resultados en términos de TTR que los alcanzados por el algoritmo propuesto por DaSilva et al. [32]. 1.6 Características de los algoritmos de rendezvous propuestos en la literatura Numerosos algoritmos han sido propuestos para resolver el rendezvous ciego. Bian et al. [17] proponen el algoritmo de salto de canal asincrónico, ACH (Asynchronous Channel Hopping) por sus siglas en inglés, el cual utiliza las propiedades de los sistemas quórums para el diseño de secuencias de salto que garanticen diversidad. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 21.

(36) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. máxima de rendezvous. Primeramente se considera una estrategia basada en roles en la cual cada US tiene un rol pre-asignado diferente y por tanto siguen estrategias distintas para generar las secuencias de salto, de esta forma son diseñadas dos secuencias, una para el US transmisor y otra para el US receptor. La principal limitante de este algoritmo radica en que la asignación previa de roles no es factible en todos los escenarios. Para eliminar esta dificultad, Bian et al. proponen en [18] un mecanismo para que cada usuario cognitivo alterne entre las secuencias de transmisión y recepción, con lo que cada US puede seguir la misma estrategia para generar las secuencias de CH. En lo adelante esta estrategia de rendezvous será identificada como ACH-CS y para hacer referencia a la estrategia basada en roles serán usadas las siglas ACH-RB. Aunque el algoritmo ACH-CS no necesita de la asignación previa de roles, su desempeño en términos de ETTR es peor que la variante ACH-RB. Chang et al. [19] propusieron dos estrategias basadas en roles conocidas como RCCH (Rendezvous Couple Channel Hopping) y ARCH (Asynchronous Rendezvous Channel Hopping) por sus siglas en inglés. La primera considera que los US están perfectamente sincronizados mientras que la otra no. Ambas garantizan el rendezvous en todos los canales de la red, es decir, diversidad máxima de rendezvous. Además, en este mismo trabajo también es presentado el algoritmo SARCH (Symmetric Asynchronous Rendezvous Channel Hopping) que garantiza diversidad máxima de rendezvous y no requiere de la asignación previa de roles. Sus creadores suponen que los US realizan la exploración del espectro antes de comenzar el proceso de rendezvous. En estos tres algoritmos los autores consideran como requisito indispensable que la cantidad de canales de la CRN sea par y esta suposición limita el alcance de sus propuestas.. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 22.

(37) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. De la misma forma que para los algoritmos ACH, RCCH, ARCH y SARCH, en [39] y [68] se considera la diversidad de rendezvous en el diseño del algoritmo de CH eficiente, ETCH (Efficient Channel Hopping) por sus siglas en inglés. Este algoritmo posee dos variantes, una que considera escenarios sincrónicos (SYN-ETCH) y otra en la cual no se requiere de la sincronización entre los US (ASYN-ETCH). Ambos garantizan diversidad máxima de rendezvous pero solo funcionan en el modelo simétrico. Aunque en las variantes del algoritmo ETCH los US utilizan la misma estrategia para generar las secuencias de CH, cada uno utiliza un parámetro aleatoriamente seleccionado como semilla para generar su propia secuencia. La elección aleatoria de la semilla permite que cada US pueda asumir un rol diferente con lo que, a pesar de que la estrategia empleada para generar las secuencias es la misma, las secuencias generadas pueden ser diferentes. Esta variante constituye una estrategia híbrida entre una estrategia basada en roles y una estrategia común. Los algoritmos conocidos como GOS (Generated Orthogonal Sequences), MC (Modular Clock) y MMC (Modified Modular Clock) por sus siglas en inglés fueron propuestos por DaSilva et al. [37]. Los algoritmos GOS y MC solo funcionan en el modelo simétrico. En términos de ETTR el desempeño de los algoritmos MC y MMC es superior al algoritmo GOS, pero ninguno de los dos garantiza rendezvous. Tanto MC como MMC constituyen estrategias híbridas. Los algoritmos Channel Rendezvous Sequence (CRSEQ) [77] y Deterministic Rendezvous Sequence (DRSEQ) [78] fueron presentados por Shin et al. y Yang et al. respectivamente. En ambos algoritmos los usuarios cognitivos siguen una estrategia común para generar secuencias de CH que garantizan rendezvous. Sin embargo, ninguno de los dos garantiza diversidad máxima de rendezvous. El algoritmo. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 23.

(38) CAPÍTULO 1. RENDEZVOUS EN REDES RADIO COGNITIVAS. DRSEQ solo funciona en el modelo simétrico y supera en términos de TTR a los algoritmos GOS, MC y MMC en este escenario. Todos los algoritmos mencionados anteriormente, excepto el SARCH, consideran que cada US al arribar a cada uno de los canales de la CRN realiza la exploración del espectro para detectar si el canal está disponible. Esta estrategia de exploración del espectro se corresponde con la exploración reactiva descrita en el epígrafe 1.1. El conocimiento previo de la actividad en cada canal contribuye a minimizar el TTR. En estos casos, la exploración proactiva (ver epígrafe 1.1) garantiza que aun cuando las secuencias de salto sean generadas considerando todos los canales de la red, cada US solo visita los canales previamente identificados como disponibles. Los algoritmos que se describen a continuación utilizan operaciones de remplazo que sustituyen en las secuencias de salto los canales no disponibles por canales previamente identificados como disponibles. Liu et al. [20] proponen el algoritmo conocido por las siglas en inglés RW (Ring Walk) el cual presenta dos variantes, RW1 y RW2. Ambas funcionan en el modelo asimétrico pero ninguna de ellas asegura diversidad máxima de rendezvous. En términos de ETTR el desempeño del algoritmo RW2 es mejor que el del RW1. En ambas variantes se considera imprescindible para garantizar el rendezvous, que cada US posea una velocidad de CH diferente. Esto constituye la principal limitante del algoritmo ya que los valores de la velocidad están limitados por el número de canales de la red y en consecuencia el número de US está limitado a la cantidad de canales de la CRN. Lin et al. proponen en [75] dos variantes del algoritmo Jump Stay (JS) una para el modelo simétrico y otra para el modelo asimétrico y posteriormente, en [21], consideran una única variante que garantiza el rendezvous en ambos modelos, simétrico y asimétrico. DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES, FIE, UCLV. 24.