Evaluación y optimización del consumo de energía en redes ad hoc

Motivación

Las redes ad hoc se caracterizan por la capacidad de autoconfiguración y establecimiento de enlaces sin el requerimiento de una estación central coordinadora. Acorde a la naturaleza descentralizada, la gestión de la red se realiza de forma distribuida entre los nodos participantes. Especialmente, cuando el dispositivo objetivo de los datos se encuentra fuera del rango de cobertura del nodo transmisor. Las redes ad hoc son especialmente atractivas en escenarios donde los costes y complejidad son una limitación para el despliegue de infraestructuras de telecomunicaciones.

Con respecto a las aplicaciones, más allá de la concepción inicial enfocada en aplicaciones militares o el soporte de comunicación ante eventos de emergencia, en la actualidad representan una opción viable para la implementación de nuevos escenarios, como por ejemplo el concepto de comunicación oportunista, motivado por el crecimiento exponencial de la computación móvil [1]. Adicionalmente, la operación conjunta de redes ad hoc especializadas (VANET’s, WSN, WMN, etc), es una opción tecnológica prometedora para el diseño de servicios orientados a smart cities, así como para la implementación de aplicaciones basadas en el concepto de Internet de las Cosas [2], [3].

Sin embargo, uno de los principales retos a enfrentar, es la limitada autonomía de operación debido a que los nodos usualmente emplean baterías como fuente de energía. En tal sentido la optimización del consumo resulta primordial con fines prácticos de aplicación. En particular, el diseño de mecanismos de enrutamiento considerando las limitaciones de energía en los dispositivos representa un campo activo de investigación [4].

Resumen

Los dispositivos con mayor agotamiento de energía en una red ad hoc constituyen elementos potenciales para la ruptura de enlaces, el incremento en la pérdida de paquetes así como la desconexión parcial o total de la red. La tarea de los mecanismos de optimización consiste en extender el tiempo de vida de los nodos mediante un equilibro en el gasto. No obstante, alcanzar un balance entre la disponibilidad de la red conservando garantías para la prestación de servicios con niveles de calidad requeridos por los usuarios (QoE, Quality of Experience), es una tarea de gran complejidad.

Con respecto a los factores que contribuyen al incremento en la demanda de energía en una red ad hoc, un aspecto a considerar es la popularidad en la difusión de contenidos multimedia, así como las mejoras obtenidas a través de estándares inalámbricos recientes (IEEE 802.11n/ac). Esto ocasiona un aumento considerable del tráfico de datos y por consiguiente un mayor consumo. Por otra parte, la naturaleza compartida del medio inalámbrico y el principio de operación de la interfaz de radio, son factores clave para la comprensión del agotamiento de energía en los nodos. En especial, las zonas de interferencia son susceptibles a un incremento innecesario de la operación en modo recepción así como al mayor número de intentos de envío derivado de la intensa contienda por el acceso al canal. En particular, el gasto generado por la sobre detección de paquetes, generalmente denominado efecto overhearing representa un porcentaje considerable de la energía demandada por la interfaz de radio y resulta especialmente crítico conforme es mayor la densidad de nodos en un escenario. Con el objetivo de alcanzar mayor equidad en el consumo de los recursos de energía, la planificación del gasto deber ser realizada considerando no solo la alternancia de las rutas para la distribución de los flujos de tráfico, sino adicionalmente las condiciones de interferencia en los nodos que conforman una trayectoria. Por tanto el análisis del efecto overhearing así como el equilibrio en la conformación de las rutas, representan aspectos clave para optimizar el consumo de energía en una red ad hoc. En tal sentido, considerando el actual enfoque pragmático en el ámbito de las redes ad hoc [4], en el grupo de investigación se aplica una metodología experimental basada en herramientas de simulación así como mediante testbed a través de plataformas de desarrollo (Single Board Computer) para la implementación y despliegue de nodos ad hoc (Figura 1). La metodología adoptada ha permitido el estudio y desarrollo de soluciones de optimización del gasto de energía en entornos reales de operación, tal como se describe en los estudios publicados por el grupo de investigación disponibles en [5]-[12].

Figura 1. Implementación y despliegue de redes ad hoc

References

[1] M. C. and S. Giordano, “Mobile ad hoc networking: milestones, challenges, and new research directions,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 1, pp. 85–96, 2014.
[2] B. Rashid and M. H. Rehmani, “Applications of wireless sensor networks for urban areas: A survey,” J. Netw. Comput. Appl., vol. 60, pp. 192–219, 2016.
[3] T. Qiu, N. Chen, K. Li, D. Qiao, and Z. Fu, “Heterogeneous ad hoc networks: Architectures, advances and challenges,” Ad Hoc Networks, vol. 0, pp. 1–10, 2016.
[4] M. Fotino and F. De Rango, “Energy Issues and Energy aware Routing in Wireless Ad-hoc Networks,” in Mobile Ad-Hoc Networks: Protocol Design, Ed. InTech, pp. 281-293, 2011.

Related publications

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[6] S. González, T. R. Vargas, P. Arce, and J. C. Guerri, “Energy optimization for video monitoring system in agricultural areas using single board computer nodes and wireless ad hoc networks,” in Proc. of the Symposium on Signal Processing, Images and Artificial Vision (STSIVA), Bucaramanga (Colombia), Aug. 2016.
[7] S. González, P. Arce, and J. C. Guerri, “Simulation and testbed evaluation for optimizing energy consumption in ad hoc networks based on OLSR protocol,” in Proc. of the International Joint Conference on e-Business and Telecommunications (ICETE), Conference on Wireless Networks and Mobile Systems (WINSYS), Lisbon (Portugal), Jul. 2016, pp. 129-136.
[8] S. González, W. Castellanos, P. Guzmán, P. Arce, and J. C. Guerri, “Simulation and Experimental Testbed for adaptive video streaming in ad hoc networks,” in Ad Hoc networks,  available online, doi: 10.1016/j.adhoc.2016.07.007, 2016.
[9] S. González, P. Arce, and J. C. Guerri, “Técnica de buffering para la optimización del consumo de energía en la transmisión de tráfico multimedia en redes ad-hoc,” IEEE Latin America Transactions, vol. 13, no. 1, pp. 250-258, 2015.
[10] P. Arce, I. de Fez, F. Fraile, S. González, P. Guzmán, and J. C. Guerri “QoE en redes adhoc, descarga adaptativa de contenidos y vídeo 3D,” in Proc. of Jornadas de Ingeniería Telemática (JITEL), Palma de Mallorca (Spain), Oct. 2015, pp. 339-346.
[11] P. Arce, S. González, and J. C. Guerri, “Altruistic Networks: where every node matters,” Recent Advances in Ad Hoc Networks Research, Ed. Nova Science Publishers, pp. 41-68, 2014.
[12] S. González, P. Arce, and J. C. Guerri “Nodos estratégicos: una propuesta para mejorar la eficiencia energética en redes inalámbricas Ad-Hoc,” in Proc. of the Simposium Nacional de la Unión Científica Internacional de Radio (URSI), Valencia (Spain), Sep. 2014, article no. 203.