Resumen de Energy-efficient wireless communication schemes and real-time middleware for machine-to-machine networks
Tatjana Predojev
Esta tesis estudia sistemas Machine-to-Machine (M2M) en los que se ejecutan tareas de manera autónoma sin, o con mínima intervención humana. Los sistemas M2M están formados por dispositivos desplegados en un entorno que recolectan información relacionada con una tarea y la envían a aplicaciones para su proceso. Las aplicaciones optimizan estas tareas y responden a los dispositivos con comandos de control. Idealmente, después de configurar las políticas de tareas, los humanos son excluidos del lazo de control. Un importante caso de uso en M2M es la automatización de la red eléctrica, también conocido como Smart Grid, que se trata en esta tesis. Muchos escenarios M2M requieren dispositivos de bajo bitrate, bajo coste y que puedan ser fácilmente desplegables y mantenidos. Una solución adecuada son los dispositivos inalámbricos, alimentados por batería y de capacidades limitadas (con reducida potencia de procesado y memoria). Un bajo mantenimiento requiere años de vida, que sólo pueden conseguirse con protocolos de comunicación altamente eficientes energéticamente. En esta tesis nos centramos principalmente en las capas MAC y de enlace (especialmente en esquemas Cooperative Automatic Repeat Request) para mejorar la eficiencia energética de los dispositivos. Proponemos y evaluamos extensiones de Cooperative MAC para varios estándares como IEEE 802.11, IEEE 802.15.4 y sus revisiones MAC. El transmisor radio de los dispositivos puede ponerse en estado de reposo cuando está inactivo, llevando a cortos periodos de activación (duty-cycle) en dispositivos de bajo bitrate, consiguiendo así un ahorro energético considerable. Dado que la capa MAC controla los estados de reposo de los transmisores radio, los esquemas de Duty-Cycle MAC son el pilar de las comunicaciones energéticamente eficientes. Por ello, en esta tesis diseñamos, analizamos y evaluamos esquemas Cooperative and Duty-Cycled ARQ (CDC-ARQ). CDC-ARQ se basa en la (re)transmisión dinámica de paquetes (dynamic packet forwarding) dependiendo del estado del canal inalámbrico. Cuantificamos las ganancias considerando enlaces inalámbricos de baja potencia con modelos realistas, que sufren efectos de apantallamiento (shadowing) desvanecimientos (fading) de canal, y presentamos las condiciones bajo las cuales CDC-ARQ consiguen mejores resultados que las técnicas estándar de forwarding. Finalmente, determinamos estrategias óptimas de selección de enlace y retransmisión para direct, multi-hop y CDC-ARQ forwarding. Los esquemas de comunicación inalámbricos energéticamente eficientes son adecuados, por ejemplo, para automatización de edificios y hogar, contribuyendo a un buen uso de la energía eléctrica en dichos escenarios. Después de considerar el entorno de dispositivos, la tesis se centra en las aplicaciones, al otro lado de los sistemas M2M. Las aplicaciones típicamente intercambian datos sobre amplias zonas con varios dispositivos remotos. Las técnicas de computación distribuida, estandarizadas e implementadas en plataformas middleware para sistemas M2M, facilitan este intercambio de datos. Los requisitos de comunicación de estas aplicaciones son diversos en términos de latencia, número de actualizaciones, número de dispositivos asociados, etc. Mientras que las soluciones middleware existentes tales como ETSI M2M satisfacen los requisitos de ciertas aplicaciones, dichas soluciones son inadecuadas para los requisitos de latencia de transmisión en tiempo real. Esta tesis propone y analiza modificaciones del ETSI M2M que mejoran el rendimiento en tiempo real. El análisis se ejemplifica con tres aplicaciones Smart Grid, una relacionada con la automatización del hogar y edificios, y las otras dos con la monitorización y control del flujo de potencia de la red eléctrica.
