Análisis de los efectos del problema del nodo oculto en las redes IEEE 802.15.7. Propuesta de solución

Anexo 1 Don AGUSTÍN TRUJILLO PINO, SECRETARIO DEL DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA Y SISTEMAS DE LA UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA, CERTIFICA, Que el Consejo del Departamento, en su sesión extraordinaria de fecha 26 de Octubre de 2015, tomó el acuerdo de dar el consentimiento para su tramitación a la tesis doctoral titulada "Análisis De Los Efectos Del Problema Del Nodo Oculto En Las Redes IEEE 802. 15. 7. Propuesta de Solución", presentada por el doctorando Don Carlos Ley Bosch y dirigida por la Dra. Dª. ltziar Alonso González. Y para que así conste, y a efectos de lo previsto en el Artº 73.2 del Reglamento de Estudios de Doctorado de esta Universidad, firmo la presente en Las Palmas de Gran Canaria, a Veintiséis de Octubre de Dos Mil Quince. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Programa de Doctorado: Tecnologías de la Información y sus Aplicaciones. Departamento de Informática y Sistemas. Tesis Doctoral: ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DEL PROBLEMA DEL NODO OCULTO EN LAS REDES IEEE 802.15.7. PROPUESTA DE SOLUCIÓN. Autor: Carlos Ley Bosch. Directora: Itziar Alonso González. La Directora, El Autor, Las Palmas de Gran Canaria, a 19 de Octubre de 2015 i Agradecimientos Deseo expresar mi más sincero agradecimiento a todas las personas que han contribuido a que pueda realizar el trabajo presentado en esta tesis. A Itziar, mi directora de tesis, cuyo trabajo y dedicación han sido fundamentales para la realización de este trabajo. A Rafael Pérez y los compañeros del IDeTIC, por su colaboración y tiempo dedicado. A todos los amigos y compañeros de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria que, de una u otra forma, me han prestado su apoyo a lo largo de estos años. A Cristina, por estar a mi lado siempre que me ha hecho falta. A todos, GRACIAS. ii RESUMEN iii Resumen En los últimos años, el uso cada vez más generalizado de los diodos LED (Light Emitting Diode) en los sistemas de iluminación ha dado lugar a la aparición de las tecnologías conocidas como VLC (Visible Light Communications), mediante las que se realizan comunicaciones de datos haciendo uso de la banda visible del espectro electromagnético. En el año 2011, el IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) publicó el estándar IEEE 802.15.7 para redes inalámbricas WPAN (Wireless Personal Area Networks) en las que se emplean tecnologías VLC. Debido a la limitación en el alcance de la señal transmitida, en las redes inalámbricas ocurre el llamado problema del nodo oculto, producido cuando hay nodos en la red cuyas transmisiones no son detectadas por otros nodos. Este problema puede ocasionar una degradación importante en las comunicaciones, cuando éstas se realizan mediante el método de control de acceso al medio CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), el cual es utilizado en el estándar IEEE 802.15.7. En esta tesis se evalúan y analizan los efectos del problema del nodo oculto en el funcionamiento de las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.7. Para realizar este análisis se ha desarrollado un modelo de simulación con el que evaluar distintos parámetros de rendimiento de la red, sometiendo a la misma a distintas condiciones de funcionamiento. RESUMEN iv Como parte del trabajo de investigación de esta tesis, se realiza una propuesta de solución al problema del nodo oculto, elegida en base a criterios de eficacia, viabilidad, y facilidad de implementación. La validez de la solución propuesta queda enteramente demostrada a partir de los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas. ABSTRACT v Abstract In the last years, the increasingly use of LEDs (Light Emitting Diodes) in illumination systems has conducted to the emergence of the VLC (Visible Light Communication) technologies, in which data communication is performed by transmitting through the visible band of the electromagnetic spectrum. In the year 2011, the IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) published the standard IEEE 802.15.7 for Wireless Personal Area Networks (WPAN) based on VLC technologies. Due to limitations in the coverage of the transmitted signal, wireless networks can suffer from the hidden node problem, produced when there are nodes in the network whose transmissions are not detected by other nodes. This problem can cause an important degradation in the communications, when these are made by means of the CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) access control method, which is also used in the standard IEEE 802.15.7. The research work in this thesis deals with the analysis and evaluation of the effects of the hidden node problem, in the performance of networks based in the standard IEEE 802.15.7. To accomplish this work, a simulation model has been developed to evaluate several network performance metrics, obtained from different operating conditions. ÍNDICE DE FIGURAS xii Figura 4.1 - Modelo de red con topología en estrella..................................................... 55 Figura 4.2 - Módulos componentes de cada nodo de la red........................................... 56 Figura 4.3 - Jerarquía de módulos del modelo de simulación........................................ 59 Figura 4.4 - Escenario de red en estrella con cuatro dispositivos................................... 62 Figura 4.5 - Algoritmo de acceso aleatorio implementado en el modelo de simulación. ................................................................................................................................ 64 Figura 5.1 - Goodput en función de la carga sobre la red, sin nodos ocultos.................78 Figura 5.2 - Tasa de pérdida de paquetes, sin nodos ocultos .........................................79 Figura 5.3 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con éxito, sin nodos ocultos.....................................................................................................................83 Figura 5.4 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con fallo, sin nodos ocultos.....................................................................................................................84 Figura 5.5 - Consumo medio de corriente por dispositivo, sin nodos ocultos ...............86 Figura 5.6 - Consumo total acumulado por todos los dispositivos, sin nodos ocultos...87 Figura 5.7 - Goodput en función de la carga total sobre la red, con nodos ocultos .......90 Figura 5.8 - Tasa de pérdida de paquetes, con nodos ocultos ........................................91 Figura 5.9 - Goodput en ausencia y presencia de nodos ocultos....................................92 Figura 5.10 - Tasa de pérdida de paquetes en ausencia y presencia de nodos ocultos...92 Figura 5.11 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con éxito, con nodos ocultos.....................................................................................................................94 Figura 5.12 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con fallo, con nodos ocultos.....................................................................................................................96 Figura 5.13 - Consumo medio de corriente por dispositivo, con nodos ocultos ............97 Figura 6.1 - Uso de patrones de inactividad fuera y dentro de banda como mecanismo de señalización en el coordinador. ............................................................................ 104 Figura 6.2 - Resultados de goodput obtenidos con la solución propuesta.................... 106 ÍNDICE DE FIGURAS xiii Figura 6.3 - Resultados de tasa de pérdida de paquetes obtenidos con la solución propuesta............................................................................................................... 107 Figura 6.4 - Valores de goodput obtenidos con la solución propuesta sin retardo añadido y con retardo añadido al cambiar el tipo de patrón de inactividad....................... 108 ÍNDICE DE FIGURAS xiv ÍNDICE DE TABLAS xv Índice de tablas Tabla 3.1 - Tipos de dispositivos y sus características......................................................30 Tabla 3.2 - Configuraciones MCS-ID para el modo PHY II.............................................36 Tabla 3.3 - Constantes de la capa PHY. ............................................................................43 Tabla 3.4 – Principales constantes de la capa MAC..........................................................51 Tabla 3.5 – Principales atributos de la capa MAC. ...........................................................52 Tabla 5.1 - Parámetros de configuración de la capa PHY cuando no hay nodos ocultos .69 Tabla 5.2 - Parámetros de configuración de la capa MAC................................................71 Tabla 5.3 - Valores de throughput con tráfico saturado....................................................74 Tabla 5.4 - Estadísticas obtenidas del CSMA/CA, sin nodos ocultos...............................81 Tabla 5.5 - Estados y consumos del transceptor óptico.....................................................85 Tabla 5.6 - Parámetros de configuración de la capa PHY cuando hay nodos ocultos ......88 Tabla 5.7 - Estadísticas obtenidas del CSMA/CA, con nodos ocultos..............................93 Tabla 5.8 - Comparativa de consumos de corriente por byte de carga útil .......................98 ÍNDICE DE TABLAS xvi LISTA DE ACRÓNIMOS xvii Lista de acrónimos ACK Acknowledgement BE Backoff Exponent BER Bit Error Rate BI Beacon Interval BO Beacon Order CAP Contention Access Period CCA Clear Channel Assessment CFP Contention Free Period CRC Cyclic Redundancy Checks CSK Color-Shift Keying CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance CTS Clear to Send CVD Color Visibility and Dimming frame DD Direct Detection DME Device Management Entity FEC Forward Error Correction FET Field Effect Transistor FIFO First In First Out FLP Fast Locking Pattern FOV Field of View LISTA DE ACRÓNIMOS xviii GPS Global Positioning System GTS Guaranteed Time Slot HCS Header Check Sequence ICSA Infrared Communication Systems Association IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers Ifq Interface Queue IFS Interframe Space IM Intensity Modulation IrDA Infrared Data Association ISM Industrial Scientific and Medical ITS Intelligent Transportation Systems JEITA Japan Electronics and Information Technology Industries Association LAN Local Area Network LED Light Emitting Diode Li-Fi Light-Fidelity LLC Logical Link Control LOS Line of Sight MAC Medium Access Control MAC PIB MAC Layer Personal Area Network Information Base MACAW Multiple Access with Collision Avoidance for Wireless MCPS-SAP MAC Common Part Sublayer Service Access Point MCS-ID Modulation Coding Scheme Identifier MHR MAC Header MFR MAC Footer MIMO Multiple Input Multiple Output MLME-SAP MAC Sublayer Management Entity Service Access Point MPDU MAC Protocol Data Unit MSDU MAC Service Data Unit MTU Maximum Transmission Unit NB Number of Backoffs NED Network Description NLOS non-LOS OMEGA hOME Gigabit Access OMNeT++ Objective Modular Network Testbed LISTA DE ACRÓNIMOS xix OOK On-Off Keying PD-SAP PHY Data Service Access Point PHR PHY Header PHY PIB PHY Layer Personal Area Network Information Base PLME Physical Layer Management Entity PLME-SAP PLME Service Access Point PPDU Physical Layer Data Unit PSDU PHY Service Data Unit RLL Run Length Limited RS Reed-Solomon RTS Request to Send RX Receiver SAP Service Access Point SD Superframe Duration SHR Synchronization Header SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SO Superframe Order SSCS Service-Specific Convergence Sublayer TDM Time Division Multiplexing TDP Topology Dependent Pattern TTA Telecommunications Technology Association of Korea TX Transmitter VLC Visible Light Communications VLCA Visible Light Communications Association VLCC Visible Light Communication Consortium VPAN Visible-light Communication Personal Area Network WDM Wavelength Division Multiplexing WPAN Wireless Personal Area Networks WQI Wavelength Quality Indication VPPM Variable Pulse Position Modulation LISTA DE ACRÓNIMOS xx CAPÍTULO1. INTRODUCCIÓN 1 1. Introducción En este capítulo se exponen los antecedentes que han motivado la realización de este trabajo de investigación, introduciéndose el problema del nodo oculto en el contexto de las comunicaciones ópticas y las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.7. Se presentan los objetivos y aportaciones de esta tesis doctoral, y por último, se detalla la estructura de capítulos en que está organizado este documento. 1.1 Antecedentes y motivación Hasta la actualidad, las comunicaciones inalámbricas se han basado mayoritariamente en sistemas de transmisión que utilizan señales de radio frecuencia. Estos sistemas presentan diversos inconvenientes, entre los que se pueden destacar la limitación en el ancho de banda, las estrictas regulaciones normativas, las restricciones de uso en entornos como hospitales o plantas químicas, la posibilidad de sufrir interceptaciones, y las interferencias que limitan los canales de comunicación utilizables en bandas de frecuencias próximas. Dichos inconvenientes, unidos a la progresiva saturación en el uso de la banda del espectro de radio frecuencia, vienen generando una creciente demanda de uso en tecnologías de comunicación alternativas para las comunicaciones inalámbricas de banda ancha. Las comunicaciones ópticas no guiadas representan una alternativa a los sistemas basados en radio frecuencia, teniendo la ventaja de no contar con la mayoría de los inconvenientes asociados a los mismos. Dentro de estas tecnologías se encuentran las comunicaciones ópticas no guiadas basadas en luz visible [Jovicic13], denominadas CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 8 existente en el uso de las bandas ISM usadas en muchas de las redes inalámbricas actuales. Las lámparas de iluminación pueden ser usadas como puntos de acceso VLC, permitiendo que la misma infraestructura pueda ser usada para proporcionar servicios de iluminación y comunicación de datos. Las tecnologías VLC también pueden ser usadas para la interconexión de sistemas de entretenimiento doméstico, como los sistemas de audio/vídeo inalámbricos o las consolas de videojuegos. En la figura 2.1 se muestra un ejemplo de sistema doméstico de iluminación integrado con VLC [Karunatilaka15]. Figura 2.1 – Sistema de iluminación doméstico integrado con VLC. • Hospitalarias: el buen funcionamiento de los sistemas y equipamientos médicos de los hospitales requiere de su aislamiento frente a interferencias electromagnéticas y de radio frecuencia. Las tecnologías VLC permiten la implantación de sistemas de comunicaciones que no produzcan tales tipos de interferencias. • Industriales: las tecnologías VLC se pueden aplicar en sistemas de comunicación y localización en áreas interiores de entornos industriales, cuando las emisiones de radio frecuencia no están permitidas. También pueden emplearse en sistemas de iluminación para oficina, dotándolos de capacidad para comunicación de datos, aliviando la saturación en el uso de los sistemas y redes inalámbricas basadas en radio frecuencia. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 9 • Transporte: los diodos LED se usan cada vez más en los faros de los automóviles, en los semáforos y en los sistemas de señalización de tráfico, pudiendo ser empleados para la comunicación entre vehículos, o entre vehículos y elementos de señalización vial. Las tecnologías VLC aplicadas a los sistemas inteligentes de transporte - denominados mediante las siglas ITS (Intelligent Transportation Systems) - facilitan mejoras en la seguridad del tráfico. En la figura 2.2 se muestra un ejemplo de comunicación entre vehículos basada en VLC. Figura 2.2 – Ejemplo de prevención de accidentes mediante ITS. • Seguridad militar y civil: la capacidad de emisión direccional con altas velocidades de datos y el uso del espectro visible permiten el uso de VLC para sistemas en los que se requiere encubrir y proteger las comunicaciones. Las tecnologías VLC también son adecuadas en operaciones de rescate en caso de emergencias, gracias su capacidad de puesta en marcha e implantación en poco tiempo. • Sistemas de posicionamiento en interiores: el uso de VLC permite obtener el posicionamiento con alta precisión de dispositivos móviles ubicados en recintos interiores, para los cuales no son adecuados los sistemas de posicionamiento basados en radio frecuencia como el GPS (Global Positioning System). CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 10 2.1.3 Principales retos sobre las tecnologías VLC En el desarrollo y la implantación de las tecnologías VLC se plantean diversos retos a afrontar, de entre los que se destacan los expuestos a continuación [Bhalerao14] [George14]: • Comunicación en línea de visión: en los sistemas LOS (Line of Sight) la señal óptica se propaga de forma directa del transmisor al receptor, para lo que es necesario que ambos se encuentren en línea de visión. La luz visible no atraviesa muchos de los objetos que usamos en nuestra vida diaria sino que es reflejada en ellos, lo que supone una ventaja desde el punto de vista de la seguridad y una desventaja desde el punto de vista del alcance [Komine04]. En los sistemas LOS, la necesidad de establecer un camino directo entre el transmisor y el receptor supone una limitación en cuanto a la movilidad de los terminales de usuario, al requerirse de un apuntamiento preciso entre transmisor y receptor. Además, la existencia de obstáculos interpuestos en la línea de visión del enlace puede provocar el corte de la comunicación. Por otro lado, cuando no hay línea de visión directa entre el transmisor y receptor la comunicación se ve limitada y dificultada por las pérdidas de energía producidas por las reflexiones de la señal, y por la distorsión sufrida por ésta a causa de la multipropagación [Saadi12]. Aún así, existe la posibilidad de transmitir datos en ausencia de línea directa de visión en los llamados sistemas difusos. • Adecuación de las fuentes de transmisión: los diodos LED empleados en los equipos de iluminación actuales son seleccionados en base a sus prestaciones como dispositivos de iluminación, lo que en la práctica puede dificultar el uso de dichos equipos en sistemas de comunicación basados en tecnologías VLC. No obstante, existen diodos LED comerciales con características adecuadas para su uso en equipos de iluminación y aptos para VLC [Karunatilaka15]. • Interferencias causadas por la luz ambiental: las fuentes de luz natural y artificial del entorno reducen la relación señal a ruido y dificultan la recepción, especialmente cuando el nivel de la iluminación ambiente es alto CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 11 [Komine04]. El efecto de dichas interferencias puede reducirse mediante el uso de filtros ópticos, o mediante el procesamiento de la señal eléctrica obtenida a la salida del dispositivo foto detector [Karunatilaka15]. • Comunicación bidireccional y acceso múltiple: cuando se transmite empleando fuentes de iluminación, el uso de VLC se adapta de forma natural a aplicaciones de difusión con comunicaciones en sentido descendente - downlink - donde los receptores son los terminales manejados por los usuarios. Las comunicaciones en sentido ascendente - uplink – (desde los terminales hacia la fuente de iluminación) presentan diversos retos [O'Brien08], como el consumo eléctrico de los LED en los terminales móviles, las molestias producidas a los usuarios por las señales luminosas de los terminales, y las restricciones en la movilidad cuando se precisa mantener los terminales orientados hacia la fuente de iluminación [Karunatilaka15] [Pathak15]. Para implementar las comunicaciones uplink se han planteado diferentes propuestas, como el empleo de la banda de infrarrojos [Pérez-Jimenez11] o el uso de radio frecuencia [Bao14]. En [Komine03] se propone un sistema VLC bidireccional mediante el uso de un transceptor retro-reflector en los terminales de usuario. Para lograr comunicaciones bidireccionales y entre múltiples dispositivos se recurre también a técnicas de multiplexación como TDM (Time Division Multiplexing) [Elgala11], o a técnicas de control de acceso al medio como las empleadas en el estándar IEEE 802.15.7 [IEEE802.15.7-2011]. • Compatibilidad con la función de iluminación: en la mayoría de los entornos industriales, comerciales y de oficina, siempre que hay personas en ellos se mantienen los sistemas de iluminación encendidos, no requiriéndose de consumo eléctrico adicional para su uso en VLC. Sin embargo, en los entornos domésticos es habitual tener la iluminación apagada durante el día. Por ello, para permitir el uso de VLC en entornos domésticos hay que mantener los sistemas de alumbrado encendidos durante el día, controlando que su brillo permanezca por debajo de los niveles de la iluminación ambiental. La potencia consumida en este caso es comparable a la consumida por los sistemas de radio frecuencia [Borogovac11]. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 12 • Aumento de la velocidad de transmisión: para lograr velocidades de transmisión elevadas en VLC se plantea la necesidad de usar técnicas de ecualización en el transmisor y/o en el receptor, y el uso de esquemas de modulación eficientes en cuanto al ancho de banda [Karunatilaka15]. También se ha propuesto el uso de técnicas de transmisión en paralelo, de tipo MIMO (Multiple Input Multiple Output) [O'Brien08]. • Normalización: por último, hay que destacar el hecho de que las tecnologías VLC deben satisfacer tanto normativas propias de organismos reguladores del ámbito de las telecomunicaciones como normativas propias de otros campos, como las referentes a los sistemas de iluminación, a la seguridad ocular, o a la señalización del tráfico. Esto implica que para establecer estándares debe haber coordinación entre diferentes organismos de regulación de competentes en diversas disciplinas. 2.1.4 Organismos de normalización y estándares Japón lideró la introducción de las tecnologías VLC a través del VLCC (Visible Light Communication Consortium) [vlcc13], constituido en el año 2003 por varias empresas tecnológicas japonesas. En junio de 2007, la JEITA (Japan Electronics and Information Technology Industries Association) [jeita15] publicó dos estándares para comunicaciones en luz visible basados en propuestas del VLCC: • CP-1221: diseñado para la transmisión de datos a bajas velocidades, modulando la luz visible mediante el uso de subportadoras. Destinado para sistemas inalámbricos de identificación basados en iluminación con LED (LED-ID). • CP-1222: que emplea un esquema de modulación diseñado para evitar el parpadeo, y que añade técnicas de CRC (Cyclic Redundancy Checks) para la detección de errores de transmisión. Admite mayor versatilidad en cuanto al tipo de datos que se pueden transmitir. En octubre de 2008 el VLCC comenzó a trabajar en cooperación con la IrDA (Infrared Data Association) y la ICSA (Infrared Communication Systems Association), anunciándose en marzo de 2009 un estándar que adoptaba y expandía la capa física del estándar IrDA. La ICSA ha continuado los trabajos para desarrollar un estándar de red LAN (Local Area Network) que permita transmisión full duplex, mediante el uso de CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 13 multiplexación WDM (Wavelength Division Multiplexing) usando las bandas de luz visible e infrarroja. En el año 2007 se formó el grupo de trabajo para VLC (WG4021) de la TTA (Telecommunications Technology Association of Korea) [tta15], que desarrolló la especificación del estándar TTA 5 en 2008. Esta especificación abarca aspectos como la configuración de la capa física del transmisor y receptor, la configuración básica para la interfaz LED para iluminación y VLC, y la configuración del modelo de servicio de localización basada en luz. Este grupo de trabajo ha desarrollado otros estándares, como el TTA 16, cuyas especificaciones se centran en la convergencia de las tecnologías VLC y los sistemas de iluminación basados en LED. En 2008 se fundó el proyecto OMEGA (hOME Gigabit Access), que cuenta con la cofinanciación de la Unión Europea y la participación de diversas entidades europeas del ámbito académico y de la industria. El objetivo de este proyecto es el desarrollo de estándares para redes domésticas que proporcionen servicios y suministren contenidos a velocidades de transmisión de hasta 1 Gbps, incluyéndose el uso de tecnologías de comunicación óptica inalámbrica en las bandas de infrarrojo y luz visible [ict-omega11]. A pesar de existir iniciativas de normalización como la citada en el párrafo anterior, en el mundo occidental es el IEEE [ieee15] el principal referente de estandarización en tecnologías VLC. Dentro del grupo de trabajo IEEE 802.15, que está dedicado a la normalización de las redes inalámbricas de área personal WPAN (Wireless Personal Area Network), en el año 2008 se creó el grupo de interés en VLC conocido como IEEE 802.15.7. A principios de 2009, el grupo IEEE 802.15.7 comenzó a trabajar en la propuesta de un estándar de VLC que incluyera especificaciones para la capa física y la capa MAC. En el año 2011 se publicó el estándar IEEE 802.15.7-2011 [IEEE802.15.72011] que define el uso de VLC para redes WPAN, en el que se especifica la capa física y la capa MAC para comunicaciones ópticas inalámbricas de corto alcance usando luz visible, con velocidades de transmisión desde 11 Kbps hasta 96 Mbps. En el año 2011 se funda en Oslo el Li-Fi (Light-Fidelity) Consortium [lificonsortium15] con el objetivo de promover el desarrollo y la distribución de tecnologías ópticas inalámbricas en las comunicaciones, la navegación, y otros campos de aplicación. La denominación Li-Fi ha sido empleada por varios autores, entre ellos el CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 14 profesor Harald Haas [ted11] de la Universidad de Edimburgo, para abarcar todo el conjunto de tecnologías y servicios relacionados con las comunicaciones ópticas inalámbricas basadas en luz visible. En el año 2013 la JEITA publicó el estándar CP-1223, propuesto como una versión simplificada y mejorada del estándar CP-1222. En mayo de 2014 se constituyó la VLCA (Visible Light Communications Association) [vlca15] como organismo sucesor del VLCC, para continuar con la investigación, el desarrollo y la estandarización de las tecnologías VLC, contando con el apoyo de empresas líderes del sector de Japón. Recientemente, el IEEE anunció la formación de un grupo de trabajo, el IEEE P802.15.7r1 [ieee80215] creado para elaborar una revisión del estándar IEEE 802.15.72011 que permita el uso de longitudes de onda del infrarrojo y el ultravioleta cercano además de la luz visible. Asimismo, se ha propuesto la inclusión de varias opciones adicionales que se resumen a continuación: • Dotar a las cámaras fotográficas con capacidad de comunicación para aplicaciones de localización y posicionamiento, empleando distintas velocidades de transmisión. Para ello, se propone el uso del flash de la cámara como dispositivo transmisor y el sensor de imagen como dispositivo receptor. • Soporte para sistemas inalámbricos de identificación basados en iluminación LED (LED-ID). • Capacidad para comunicaciones inalámbricas Li-Fi bidireccionales con velocidades de, al menos, 10 Mbps, y soportando comunicación en red con movilidad e itinerancia (roaming) entre múltiples puntos de acceso. Se prevé que el grupo de trabajo IEEE P802.15.7r1 elabore un primer borrador de la nueva revisión del estándar a finales del año 2016. 2.2 Configuraciones de los enlaces ópticos en VLC Al igual que en otras formas de comunicación óptica inalámbrica, las configuraciones de los enlaces ópticos VLC en recintos interiores se pueden clasificar atendiendo a dos criterios: el grado de directividad del transmisor y receptor óptico, y la existencia o no de línea de visión directa entre ambos [Kahn97]. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 15 En cuanto a la directividad, cuando el transmisor y el receptor tienen, respectivamente, un diagrama de radiación y un campo de visión estrecho, se tiene la configuración de enlace directivo. Los enlaces directivos maximizan la eficiencia en cuanto a la potencia de transmisión, al reducirse en ellos las pérdidas por atenuación y minimizarse la recepción del ruido producido por la iluminación ambiental. Pero tienen como inconveniente la limitación en la movilidad de los terminales, al requerirse un alineamiento preciso entre ambos extremos de la comunicación. Si se emplean dispositivos con diagramas de radiación y campos de visión amplios se dice que el enlace es no directivo. Los enlaces no directivos tienen la ventaja de favorecer la movilidad de los terminales, al no requerir de un alineamiento preciso para establecer la comunicación. Por otro lado, presentan desventajas por la distorsión producida en la señal recibida debido a la multipropagación, y por tener una menor eficiencia de potencia. También es posible la configuración de enlaces híbridos, combinando transmisores y receptores con distinto grado de directividad. Cuando existe una línea de visión directa y sin obstáculos entre transmisor y receptor se tiene la configuración de enlace LOS (Line of Sight). En este tipo de enlaces se maximiza el aprovechamiento de la potencia transmitida y se minimizan los efectos de la distorsión por multipropagación, aunque la necesidad de línea de visión entre transmisor y receptor les resta flexibilidad de uso. Por el contrario, en los enlaces sin línea de visión, o NLOS (non-LOS), se utiliza la reflexión como método de propagación, bien sea a través de una pared, techo u otras superficies capaces de reflejar el haz de luz. Los enlaces NLOS permiten la comunicación incluso en presencia de obstáculos, incrementando tanto la robustez como la facilidad de uso. Ambas características se maximizan en los enlaces NLOS no directivos, también llamados enlaces difusos. VLC puede ser usado en diferentes configuraciones de enlace, como son los enlaces LOS directivos, los enlaces LOS no directivos, y los enlaces difusos – véase la figura 2.3. El uso de enlaces en configuración LOS permite alcanzar altas velocidades de transmisión, debido a la fuerte dependencia que existe entre la capacidad del canal y la presencia de una línea de visión directa entre transmisor y receptor [Grobe13]. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 16 Figura 2.3 – Configuraciones de enlace óptico en VLC: a) LOS directivo; b) LOS no directivo; c) Difuso. 2.3 Caracterización del canal óptico Los elementos que constituyen el canal óptico de un sistema VLC son el transmisor óptico (por ejemplo, el diodo LED), el medio de transmisión (el espacio libre) y el receptor óptico o foto detector. Al igual que en las comunicaciones ópticas no guiadas, en VLC se emplea la técnica de transmisión basada en modulación por intensidad IM (Intensity Modulation) en la que la luz emitida depende linealmente de la corriente que excita al LED. En recepción, la conversión optoeléctrica se realiza con detectores ópticos que emplean detección directa DD (Direct Detection), generando una corriente proporcional a la potencia óptica recibida. En la figura 2.4 se presenta un esquema de modelo de canal VLC con IM/DD [Hranilovic05]. Figura 2.4 - Modelo de canal VLC con IM/DD. Normalmente, los sistemas de comunicaciones ópticas no guiadas basados en IM/DD se modelan como sistemas lineales e invariantes en banda base. La figura 2.5 representa el esquema del canal óptico, modelado como un sistema lineal invariante en banda base [Kahn97], donde la entrada es la potencia instantánea radiada por la fuente CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 17 X(t) y la salida es la corriente generada por el detector óptico Y(t), siendo h(t) la respuesta al impulso y N(t) la componente de ruido aditivo independiente de la señal. R es la responsividad o factor de conversión óptico a eléctrico del detector óptico (en unidades de A/W). R .h(t) X(t)Y(t) N(t) Potencia óptica Corriente del detector Ruido Figura 2.5 - Modelo de canal óptico como sistema lineal en banda base. De acuerdo al modelo de canal descrito, la corriente generada en el fotodetector Y(t) se puede calcular a partir de la convolución entre la potencia instantánea radiada por la fuente X(t) y la respuesta al impulso del canal h(t), mediante la ecuación: )()()()( tNthtXRtY +⊗⋅= (2.1) La respuesta al impulso del canal h(t) viene determinada por la posición, la orientación, y las propiedades del transmisor y del receptor, así como por las posibles reflexiones de la señal óptica en el entorno. Se han publicado múltiples trabajos para caracterizar el canal óptico no guiado y su respuesta al impulso, entre los que se pueden citar, por ejemplo, los basados en métodos de evaluación de medidas [Kahn95], en simulaciones mediante algoritmos iterativos [López-Hernandez97], o en métodos estadísticos [González05]. También se han publicado diversos trabajos particularizando el estudio del canal a las características específicas de las comunicaciones basadas en luz visible, como [Lee11b], [Komine04] y [Chvojka15]. Con carácter general, al ser la respuesta en frecuencia del canal óptico H(f) lo suficientemente plana en las proximidades del origen de frecuencias, se puede caracterizar la ganancia del canal mediante su ganancia en continua (DC, Direct Current) representada por H(0) [Kahn97]. De esta forma, se puede relacionar la potencia media óptica transmitida, Pt , con la recibida, Pr , de acuerdo a la expresión: CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 24 Conocidas las potencias de la señal recibida y del ruido, puede obtenerse la expresión de relación señal a ruido SNR para el canal LOS directivo: total r total er PRP SNR 2 2 2 2 σσ ⋅ == (2.16) Donde Pr es la potencia óptica recibida por el foto detector, Per la potencia eléctrica a su salida, R es su responsividad, y σ2total la potencia de ruido total. El análisis y la caracterización del canal óptico en VLC considerando aspectos como las técnicas de modulación y codificación, la relación señal a ruido, y la tasa de error de bit BER (Bit Error Rate) es una línea de investigación abierta en la actualidad, en la que se vienen realizando y publicando múltiples trabajos, como [Zhang15], [Shoreh15] , [Biswal13] y [Sindhubala15]. 2.4 El problema del nodo oculto en las redes VLC El problema del nodo o terminal oculto es un problema bien conocido en las redes inalámbricas basadas en radio frecuencia, cuando utilizan procedimientos de control de acceso al medio basados en técnicas de contención, como el método CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) [Chen94]. El método CSMA/CA se fundamenta en que todo nodo de la red que quiera transmitir debe realizar antes una detección de portadora, “escuchando” el medio o canal con el fin de detectar posibles transmisiones que estén siendo realizadas por otros nodos. En el caso de que no se detecte actividad en el medio se considera que éste está libre y disponible para realizar la transmisión. Los métodos CSMA/CA se emplean - con distintas variantes - en diversos estándares de redes inalámbricas basadas en radio frecuencia. Por ejemplo, se emplean en los protocolos MAC de las redes de área local inalámbricas [IEEE802.11-1997] y las redes de sensores inalámbricos [IEEE802.15.4-2006]. El problema del nodo oculto se produce cuando un nodo, después de realizar la detección de portadora, considera que el medio está disponible para transmitir por no detectar la transmisión de otro nodo cuya señal no es capaz de recibir. Como CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 25 consecuencia de este problema, al emplearse métodos de acceso al medio de tipo CSMA/CA pueden producirse transmisiones simultáneas de dos o más nodos que pueden dar lugar a colisiones. En la figura 2.8 se muestra un ejemplo de escenario con nodos ocultos en una red inalámbrica con tres nodos: A, B y C. El límite del alcance de la transmisión de cada nodo se representa mediante un círculo alrededor del mismo (considerando propagación no directiva). Si el nodo C realiza una detección de portadora cuando el nodo A está transmitiendo al nodo B, el nodo C considerará que el medio está disponible (al no detectar la transmisión de A) y podrá transmitir al mismo tiempo, produciéndose una colisión en B. A B C Figura 2.8 - Ejemplo de escenario con nodos ocultos en redes inalámbricas basadas en radio frecuencia. Los efectos del problema del nodo oculto en las redes inalámbricas basadas en radio frecuencia han sido ampliamente estudiados y evaluados en diversos de trabajos, destacando para las redes IEEE 802.11 los trabajos de [Yang09], [Ekici08] y [Jang12], y para redes IEEE802.15.4 a [Harthikote-Matha07] y [Wijetunge11]. En las redes basadas en VLC se produce también el problema del nodo oculto, con efectos similares al problema de las redes de radio frecuencia, pero agravado por las características directivas de los transmisores y receptores ópticos (analizadas en el apartado 2.3), que se resumen a continuación: • Transmisor: el número modal m define el grado de directividad del lóbulo de radiación. Dicho número modal está relacionado con el ángulo de potencia mitad CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 26 θ1/2, que es ángulo en el que la intensidad radiante emitida se reduce a la mitad de su valor máximo. • Receptor: el campo de visión FOV (Field of View) define el ángulo máximo de incidencia, ψ, medido respecto al vector de orientación del receptor, en el que la señal óptica incidente puede ser detectada. En la figura 2.9 se ilustra un ejemplo de escenario de red VLC en el que se presenta el problema del nodo oculto En este ejemplo, dos terminales de usuario intentan realizar una transmisión uplink hacia un dispositivo de infraestructura (de iluminación) ubicado en el techo del recinto. En la red se emplea un procedimiento de control de acceso al medio basado en el método CSMA/CA. Figura 2.9 - Ejemplo de escenario con nodos ocultos en redes VLC. En la figura 2.9, si el terminal 2 realiza una detección de portadora mientras el terminal 1 está transmitiendo a la infraestructura, debido a la directividad del transmisor óptico del terminal 1 (θ1/2) y del receptor óptico del terminal 2 (FOV), la señal del terminal 1 no es detectada por el terminal 2. En consecuencia, el terminal 2 considerará que el medio está disponible y podrá transmitir al mismo tiempo que el terminal 1, produciéndose una colisión en la infraestructura. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 27 Como se verá en detalle en el capítulo 3, el estándar IEEE 802.15.7 define en su capa MAC un procedimiento de acceso al medio basado en el método CSMA/CA, por lo que las transmisiones uplink realizadas siguiendo este procedimiento son susceptibles de sufrir el problema del nodo oculto aquí descrito. Esta situación fue puesta de manifiesto en algunos trabajos publicados durante la elaboración del estándar [Le10] y en algunos de los documentos con propuestas para su toma en consideración [Jang09] por el grupo responsable de la elaboración del estándar. No obstante, en la versión actual del estándar [IEEE802.15.7-2011] no existen mecanismos diseñados específicamente para solventar este problema. Por otro lado, como se indicará en el apartado 4.3, en base a los trabajos publicados conocidos por el autor de esta tesis, hasta la fecha no existen estudios que evalúen el impacto de la presencia de nodos ocultos sobre las prestaciones de las comunicaciones uplink realizadas mediante CSMA/CA en el estándar IEEE 802.15.7. CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS Y ESTADO DEL ARTE 28 CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 29 3. El estándar IEEE 802.15.7 En este capítulo se presentan las principales características del estándar IEEE 802.15.7 [IEEE802.15.7-2011] para redes inalámbricas de área personal, WPAN, basadas en la tecnología VLC, redes que son denominadas mediante las siglas VPAN (Visible-light Communication Personal Area Network). 3.1 Introducción El objetivo de esta norma es proporcionar un estándar para comunicaciones ópticas inalámbricas de corto alcance basadas en luz visible, haciendo uso del espacio libre como medio de propagación, para lo que define una capa física (PHY) y una capa de control de acceso al medio (MAC). El estándar IEEE802.15.7 provee velocidades de transmisión suficientes para soportar servicios de comunicaciones multimedia, proporciona soporte para la movilidad, y ofrece compatibilidad con las infraestructuras de iluminación, cumpliendo también con las normativas aplicables en cuanto a seguridad ocular. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 30 Algunas de las características más importantes que se pueden destacar del estándar son: a) Operación en tres topologías de red: estrella, peer-to-peer y difusión. b) Transmisiones programadas o realizadas mediante técnicas de acceso al medio con contención. c) Transferencias de datos fiables mediante el uso de tramas de confirmación. d) Indicación de la calidad del canal óptico, WQI (Wavelength Quality Indication). e) Soporte para el control de la luminosidad (dimming). f) Soporte para la función de iluminación. g) Soporte para funciones basadas en el uso del color. 3.2 Tipos de dispositivos El estándar clasifica los dispositivos en tres tipos: infraestructura (fijos), móviles, y vehículos. Las características de cada tipo de dispositivo se indican en la tabla 3.1. Infraestructura Móvil Vehículo Coordinador fijo Sí No No Fuente de alimentación Ilimitada Limitada Moderada Factor de forma No restringido Restringido No restringido Fuente de luz Intensa Débil Intensa Movilidad física No Sí Sí Alcance Corto/largo Corto Largo Velocidad de transmisión Alta/baja Baja Alta Tabla 3.1 – Tipos de dispositivos y sus características. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 31 3.3 Topologías de red Se definen tres topologías de red: estrella, peer-to-peer y difusión. Dichas topologías se ilustran en la figura 3.1, resumiéndose a continuación sus principales características: • Estrella: la comunicación se realiza entre varios dispositivos y un único controlador central, al que se denomina coordinador. Normalmente, en esta topología el coordinador es un dispositivo de infraestructura de iluminación, conectado a la red eléctrica, y con capacidad para transmitir y recibir datos. El resto de dispositivos son terminales móviles alimentados por baterías. Cada red en estrella tiene un identificador de VPAN único que establece el coordinador, al que deben asociarse los dispositivos móviles para poder comunicarse. Cada VPAN opera de forma independiente a otras VPAN que puedan existir en su mismo ámbito de cobertura. • Peer-to-peer: permite a dos dispositivos cualesquiera comunicarse entre sí, siempre que estén al alcance uno de otro. Uno de los dispositivos debe actuar como coordinador de la comunicación. • Difusión: un dispositivo hace de coordinador y transmite su señal a otros dispositivos de forma unidireccional, sin necesidad de que haya ningún proceso de asociación. Coordinador Dispositivo Coordinador Dispositivo Coordinador Dispositivo Estrella Peer-to-peer Difusión Figura 3.1 – Topologías de red en el estándar IEEE 802.15.7. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 32 3.4 Arquitectura de un dispositivo La arquitectura de un dispositivo IEEE 802.15.7 se compone de dos capas cuya especificación es objeto del estándar: una capa física (PHY), que incluye al transceptor óptico, y una capa MAC, que proporciona acceso al medio o canal óptico. En la definición de la arquitectura se incluyen también varias capas adicionales. La figura 3.2 muestra de forma gráfica el conjunto de capas de la arquitectura. Capas superiores LLC SSCS MAC PHY Medio óptico MCPS-SAP MLME-SAP PD-SAP PLME-SAP DME PHY-switch Optical-SAP Cell 1 Cell 2 Cell n ... Dimmer Figura 3.2 – Arquitectura de un dispositivo IEEE 802.15.7. A continuación se describen brevemente las distintas capas definidas en la arquitectura: • Capa PHY: la capa física (PHY) proporciona la interfaz entre la capa MAC y el canal óptico, y es proveedora de dos servicios: el servicio de datos, al que se accede a través del PD-SAP (PHY Data Service Access Point), y el servicio de gestión, al que se accede mediante el PLME-SAP (PLME Service Access Point). La entidad PLME (Physical Layer Management Entity) proporciona el servicio de gestión, siendo responsable de mantener una base de datos con los objetos gestionados por la CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 33 capa PHY. El PHY-switch hace de interfaz entre la capa PHY y el punto de acceso al servicio optical SAP para la conexión con el medio óptico. • Medio óptico: los transmisores y receptores ópticos del dispositivo se consideran parte del medio óptico. Cuando hay más de un transmisor y receptor, la capa PHY permite dar soporte a la comunicación en múltiples celdas. El optical SAP (Service Access Point) provee la interfaz de acceso al medio óptico, aunque no es objeto de especificación del estándar. • Capa MAC: proporciona el servicio de datos para la transmisión y recepción de tramas MPDUs (MAC Protocol Data Units) a través del servicio de datos de la capa PHY, y el servicio de gestión, que proporciona funciones como la gestión de tramas baliza (beacon), el acceso al canal de transmisión, y la asociación/disociación de dispositivos. También proporciona funciones como el soporte de visibilidad y el control de la luminosidad. Para acceder al servicio de datos de la capa MAC se utiliza el MCPS-SAP (MAC Common Part Sublayer Service Access Point), y para acceder al servicio de gestión el MLME-SAP (MAC Sublayer Management Entity Service Access Point). • Capa LLC y subcapa SSCS: la capa LLC (Logical Link Control) implementa el modo de operación IEEE 802.2 Tipo 1 [IEEE802.2-2013] y proporciona la interfaz con la capa de red. La subcapa SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) [IEEE802.15.7-2011] proporciona el acceso de la capa LLC a los servicios de la capa MAC. • Capas superiores: entre éstas se incluye a la capa de red - que incluye funciones como la configuración de la red y el encaminamiento - y la capa de aplicación, que proporciona la función para la que el dispositivo ha sido diseñado. La definición de estas capas no concierne al estándar IEEE 802.15.7. • DME y dimmer: el estándar soporta la existencia de un DME (Device Management Entity) que hace de interfaz entre los servicios de gestión de las capas PHY y MAC y un dispositivo regulador de luminosidad (dimmer). CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 40 • CCA Mode-2 (detección de portadora): la función CCA indica que el medio está ocupado si se detecta una señal acorde con las características de las modulaciones empleadas en IEEE 802.15.7. El nivel de energía E de la señal puede estar por encima o por debajo del umbral Eth. • CCA Mode-3 (detección de portadora con nivel de energía E por encima del umbral Eth): el medio se detecta como ocupado si se detecta una señal con las características de las modulaciones de IEEE 802.15.7, y con un nivel de energía E por encima del umbral Eth. En IEEE 802.15.7 no se especifica el tiempo que debe durar la detección del estado del canal cuando se realiza la función CCA, a diferencia de otros estándares como IEEE 802.15.4 [IEEE802.15.4-2006], donde se especifica una duración equivalente a 8 ciclos de reloj. 3.5.4 Control de luminosidad y patrones de inactividad En los dispositivos IEEE 802.15.7 de tipo infraestructura - como el coordinador de una red con topología en estrella – hay que garantizar que su funcionamiento sea compatible con su uso como fuente de iluminación. Para ello son necesarias diversas funciones que involucran a las capas PHY y MAC, entre las que se encuentra el control de la luminosidad, la minimización del parpadeo, y el uso de patrones de inactividad. El control de la luminosidad (dimming) permite el ajuste de la intensidad de la iluminación de acuerdo a las preferencias del usuario. En el estándar IEEE 802.15.7 existen varios esquemas para el control de la luminosidad dependiendo del tipo de modulación usado [Rajagopal12]. Por ejemplo, si se utiliza la modulación OOK pueden variarse los niveles ON y OFF de cada símbolo para aumentar o disminuir la intensidad luminosa. De acuerdo al estándar, los dispositivos de tipo infraestructura deben transmitir patrones de inactividad - idle patterns - durante los intervalos de tiempo en que están recibiendo datos o no tienen actividad, con el fin de mantener la visibilidad, garantizar el control de la luminosidad y evitar que haya parpadeo visible al ojo humano. Para cumplir con estos requisitos es necesario que el ciclo de trabajo de los patrones de inactividad sea el mismo que el usado en los periodos de tiempo en que se transmiten datos. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 41 Los patrones de inactividad pueden ser insertados entre tramas de datos, tal y como se muestra en el ejemplo de la figura 3.4. El ciclo de trabajo del patrón de inactividad debe de ajustarse para lograr el nivel de brillo deseado en la iluminación y evitar el parpadeo. La selección del tipo de patrón de inactividad no forma parte de la especificación del estándar IEEE 802.15.7. Trama de datos Patrón de inactividad Trama de datos Ejemplo de patrón con ciclo de trabajo de 1/3: 001001001001001001 Ciclo de trabajo medio de 1/3 Ciclo de trabajo medio de 1/3 Figura 3.4 – Ejemplo de uso de patrones de inactividad insertados entre tramas. El estándar permite que los patrones de inactividad puedan ser dentro de banda o fuera de banda, en relación con el espectro de frecuencias de la señal que modula a la portadora óptica, es decir, de acuerdo al espectro de la señal de salida del detector óptico. Los patrones dentro de banda no requieren cambios en la frecuencia de la señal de reloj óptico, y quedan dentro de la banda del espectro correspondiente a la señal moduladora que puede aceptar el receptor. Los patrones fuera de banda mantienen la visibilidad haciendo uso de frecuencias de reloj más bajas (pudiendo incluso usarse corriente continua) y quedan fuera de la banda de paso de la señal que pueden aceptar los circuitos del receptor. La figura 3.5 muestra un ejemplo del espectro de frecuencias de la señal que modula a la portadora óptica, en el que se pueden distinguir tres regiones [Rajagopal12]: • Región de parpadeo: definida desde el origen de frecuencias hasta los 200 Hz. Las interferencias producidas por las fuentes de luz visible que funcionan a 50 y 60 Hz se encuentran en esta región, en la que también hay que tener en cuenta medidas de seguridad para proteger el ojo humano. Por todo ello, esta región no debe ser usada para la comunicación en VLC. • Región dentro de banda: formada por el rango de frecuencias de la señal moduladora que puede aceptar el receptor. Esta región incluye tanto las señales empleadas para las comunicaciones de datos como los patrones de inactividad dentro de banda. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 42 • Región fuera de banda: situada entre la región de parpadeo y la región dentro de banda. Esta región puede ser necesaria para la coexistencia de los distintos modos de funcionamiento de la capa PHY. Por ejemplo, el modo PHY I queda en la región de fuera de banda del modo PHY II, ya que el primero utiliza frecuencias de reloj más bajas que el segundo. Frecuencia de moduladora Amplitud Dentro de banda Fuera de banda Parpadeo Interferencia de luz visible Figura 3.5 – Espectro en el dominio de modulación de la señal en VLC. 3.5.5 Constantes y atributos de la capa PHY Las características de funcionamiento de la capa PHY están definidas por diversas constantes y atributos almacenados en la base de datos PHY PIB (PHY Layer Personal Area Network Information Base) que es gestionada por la entidad PLME (Physical Layer Management Entity). En la tabla 3.3 se presentan las constantes de la capa PHY. El valor de estas constantes depende del hardware y no puede ser modificado mientras el dispositivo se encuentra en operación. La PHY PIB contiene también los atributos necesarios para la gestión de la capa PHY, que pueden ser leídos o modificados - mediante primitivas - mientras el dispositivo está en operación. Existen un total de 6 atributos en la capa PHY, de entre los cuales hay que citar al atributo phyCurrentChannel, que indica el número de canal o Band Plan Id a emplear en las transmisiones de las PPDU. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 43 Constante Descripción Valor aMaxPHYFrameSize Máximo tamaño de la PSDU (PHY Service Data Unit) que la capa PHY puede recibir 1.023 bytes para PHY I 65.535 bytes para PHY II y PHY III aTurnaroundTime-TX-RX Tiempo máximo para el cambio de estado de transmisión a recepción Cero ciclos de reloj aTurnaroundTime-RX-TX Tiempo máximo para el cambio de estado de recepción a transmisión PHY I: ≤ 240 ciclos de reloj PHY II, III: ≤ 5.120 ciclos de reloj Tabla 3.3 – Constantes de la capa PHY. 3.6 La capa MAC La capa MAC del estándar IEEE 802.15.7 es responsable de diversas tareas, entre las que se destacan las siguientes: • Control de acceso al medio: se regula el acceso al medio óptico de transmisión, permitiéndose efectuar transmisiones programadas o realizadas mediante métodos de acceso al medio aleatorios - con contención. Se definen cuatro métodos de acceso aleatorio: acceso aleatorio no ranurado, acceso aleatorio ranurado, CSMA/CA no ranurado y CSMA/CA ranurado. • Inicio y mantenimiento de una VPAN: los dispositivos pueden explorar el canal para comprobar el estado del mismo, detectar la emisión de tramas baliza (beacons) emitidas por coordinadores que estén en su rango de cobertura, o localizar una trama baliza en particular para sincronizarse con ella. El resultado de la exploración del canal permite saber qué canales lógicos (channel number o Band Plan Id) y/o identificadores de VPAN están disponibles, y cuáles están siendo usados por otras redes existentes. • Asociación y disociación: la asociación permite a un dispositivo unirse a una red VPAN existente, y a un coordinador autorizar a un dispositivo para que se una a su VPAN. La disociación finaliza la unión de un dispositivo a una VPAN, y puede ser iniciada tanto por el dispositivo como por el coordinador. • Soporte de la función de color: un dispositivo puede facilitar al usuario información de su estado haciendo que su señal óptica se visualice con un color CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 44 determinado. La función de color puede, por ejemplo, servir de ayuda para que el usuario alinee adecuadamente el dispositivo para una correcta comunicación. • Soporte para la iluminación y el control de la luminosidad: incluyendo el uso de preámbulos extendidos para mejorar la sincronización, y el ajuste de la planificación de las transmisiones para adecuarse a un determinado nivel de brillo fijado para la iluminación. • Movilidad: en el caso de que se utilicen infraestructuras que incluyan múltiples transmisores/receptores ópticos para soportar la comunicación mediante celdas. • Otras funciones adicionales: como el soporte para la seguridad de las comunicaciones, o la capacidad para proporcionar un enlace fiable para la comunicación mediante tramas de confirmación. De entre las funciones y características de la capa MAC del estándar IEEE 802.15.7 se detallan a continuación sólo aquellas relacionadas directamente con los objetivos del trabajo realizado en esta tesis. 3.6.1 Estructura de la supertrama La capa MAC permite el uso opcional de una estructura temporal denominada supertrama, cuyas características vienen definidas por el coordinador. La supertrama es un patrón temporal que viene delimitado por tramas baliza (beacons). El coordinador transmite las tramas baliza al principio de cada supertrama para sincronizar los dispositivos, identificar la VPAN y definir las características de la supertrama. La supertrama puede tener una parte activa y una inactiva. La parte activa está dividida en 16 intervalos de tiempo o slots equiespaciados, durante los cuales se realizan todas las comunicaciones. La parte inactiva permite que los dispositivos pasen al estado de ahorro de energía. La parte activa se divide en un periodo de acceso con contención o CAP (Contention Access Period), en el que los dispositivos compiten entre sí para acceder al canal empleando un procedimiento de acceso aleatorio, y un periodo de acceso sin contención o CFP (Contention Free Period), destinado a aplicaciones con requisitos de latencia y ancho de banda. En el CFP el acceso al medio se realiza de forma CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 45 centralizada mediante el uso de slots denominados GTS (Guaranteed Time Slot), los cuales son asignados por el coordinador. La estructura de la supertrama viene definida por varios parámetros y atributos de configuración de la MAC PIB (MAC Layer Personal Area Network Information Base) que se describen a continuación: • El atributo macBeaconOrder, BO, define el intervalo usado por el coordinador para transmitir sus tramas baliza. Los atributos BO y aBaseSuperframeDuration definen la duración - en ciclos de reloj - del intervalo de tiempo entre tramas baliza, BI (beacon interval), de acuerdo a la siguiente expresión: BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO; para: 0 ≤ BO ≤ 14 (2.1) Si BO = 15 el coordinador no transmite tramas baliza. Donde aBaseSuperframeDuration se define como el número de ciclos de reloj que forman la supertrama cuando el atributo macSuperframeOrder (véase a continuación) es igual a 0. • El atributo macSuperframeOrder, SO, define la longitud de la parte activa de la supertrama, incluyendo la trama baliza. La relación entre el valor de SO y la duración de la parte activa de la supertrama, SD (superframe duration), medida en ciclos de reloj viene dada por: SD = aBaseSuperframeDuration x 2SO ; para: 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14 (2.2) Si SO = 15 la trama no tendrá parte activa. La trama baliza se transmite al comienzo del primer slot de la supertrama sin hacer uso de ningún método de acceso aleatorio. El CAP comienza inmediatamente después de la trama baliza, y el CFP - si existe - comienza a continuación del CAP, extendiéndose hasta el final de la parte activa de la supertrama. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 46 En la figura 3.6 se ilustra un ejemplo de configuración de supertrama, en la que el intervalo de baliza BI tiene el doble de duración que la parte activa de la supertrama SD, y el CFP contiene dos GTS. CAP Beacon Periodo inactivo Beacon CFP GTS GTS SD = aBaseSuperframeDuration x 2SO BI = aBaseSuperframeDuration x 2BO 0151413121110987654321 Figura 3.6 – Ejemplo de estructura de supertrama. 3.6.2 Acceso aleatorio al canal Cuando se utiliza la supertrama en una VPAN, para transmitir en el CAP la capa MAC utiliza la versión ranurada del algoritmo de acceso aleatorio definido en el estándar. Si no se usan tramas baliza no hay supertrama definida y se emplea la versión no ranurada del algoritmo. En ambos casos el algoritmo de acceso se implementa mediante unidades de tiempo denominadas periodos de backoff (cuenta atrás), siendo la duración de un periodo de backoff igual al parámetro aUnitBackoffPeriod, expresado en ciclos de reloj: aUnitBackoffPeriod = 20 ciclos de reloj (2.3) Cuando se utiliza el acceso aleatorio ranurado, los periodos de backoff de los dispositivos de la VPAN deben estar alineados con los slots de la supertrama, de forma que el comienzo del primer periodo de backoff de cada dispositivo debe coincidir con el comienzo de la transmisión de la trama baliza. En la figura 3.7 se muestra el diagrama de flujo de la versión ranurada del algoritmo de acceso aleatorio empleado en IEEE 802.15.7, que es descrito a continuación. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 47 Acceso aleatorio ranurado NB = 0 BE = macMinBE Localizar límite periodo backoff Retardo aleatorio de [0, 2BE -1] periodos de backoff ¿Detección de portadora activa? Realizar CCA alineado con periodo de backoff ¿Canal disponible? Transmitir trama ¿ACK requerido? ¿ACK recibido en macAckWaitDuration ? Exito BE = min(BE+1, macMaxBE) NB = NB + 1 NB <= macMaxCSMABackoffs ? Fallo no no no si si si si no si no Figura 3.7 –Versión ranurada del algoritmo de acceso aleatorio. Durante cada intento de transmisión de una trama realizado mediante el algoritmo de acceso aleatorio, cada dispositivo mantiene dos variables: • NB (Number of Backoffs): variable que contabiliza el número de veces que el algoritmo de acceso al medio ha realizado un backoff – un retardo aleatorio mediante una cuenta atrás – durante el actual intento de transmisión de la trama. CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 48 Esta variable se inicializa a cero al comenzar el procedimiento de transmisión de una trama. • BE (Backoff Exponent): variable que guarda relación con el número de periodos de backoff que esperará el dispositivo antes de comprobar el estado del canal o acceder al mismo para transmitir. Esta variable se inicializa al valor de atributo macMinBE. El procedimiento de acceso comienza con la inicialización de las variables NB y BE. A continuación, por usarse el acceso aleatorio ranurado, es necesario alinear el comienzo de los periodos de backoff del dispositivo con el comienzo de la supertrama. Seguidamente se realiza el retardo de un número entero de periodos de backoff escogido aleatoriamente en el rango [0, 2BE – 1]. Si el número de periodos de backoff del retardo es mayor que el número de periodos de backoff que restan en el CAP de la supertrama, la capa MAC interrumpe la cuenta atrás al final del CAP y continúa al comienzo del CAP de la siguiente supertrama. Una vez finalizado el backoff, la capa MAC continuará el procedimiento de acceso si el resto de los pasos del algoritmo, incluyendo la transmisión de la trama - y en su caso la correspondiente confirmación - pueden realizarse antes de que termine el CAP. En caso contrario, esperará al comienzo del CAP de la siguiente supertrama y realizará un nuevo retardo de backoff. En el caso de que la capa MAC pueda continuar el procedimiento, y si está habilitada la opción CCA (Clear Channel Assessment), se solicita a la capa PHY que realice la función CCA para comprobar si el canal está disponible o hay transmisiones en curso. Si la capa PHY evalúa que el canal está ocupado, la capa MAC incrementará las variables NB y BE, asegurándose de que BE no sea mayor que macMaxBE. Si NB es menor o igual al valor del atributo macMaxCSMABackoffs, se comenzará un nuevo retardo de backoff. Si el valor de NB es mayor que macMaxCSMABackoffs, el algoritmo terminará con un fallo de acceso al canal, al haberse sobrepasado el máximo número de backoffs permitidos para intentar transmitir la trama. Si la capa PHY evalúa que el canal está disponible - o si la opción CCA no está activa - se realizará la transmisión de la trama. En la versión ranurada del algoritmo de CAPÍTULO 3. EL ESTÁNDAR IEEE 802.15.7 49 acceso aleatorio tanto la operación de CCA como la transmisión de la trama deben estar alineadas con el comienzo de un slot de backoff. Después de transmitir la trama, si está habilitado el uso de tramas de confirmación o ACK (Acknowledgement), se esperará por la trama ACK procedente del receptor hasta un tiempo máximo, dado por el atributo macAckWaitDuration. En el caso de recibirse la trama ACK se dará por concluido el procedimiento con éxito. En el caso de no recibirse la trama ACK se procederá a incrementar las variables NB y BE para realizar un nuevo backoff siempre que NB no sea mayor que macMaxCSMABackoff. La versión ranurada del algoritmo de acceso al medio empleado en IEEE 802.15.7 es muy similar a la empleada en el estándar IEEE 802.15.4, aunque hay que destacar algunas diferencias importantes: • En IEEE 802.15.7 se invoca una sola vez la función CCA para comprobar si el canal está disponible antes de transmitir. En IEEE 802.15.4, cuando se emplea el mecanismo de acceso ranurado, se comprueba la disponibilidad del canal invocando la función CCA dos veces. • En IEEE 802.15.7 tanto la detección del canal ocupado como la no recepción de la trama de confirmación (ACK) hacen que se realice un nuevo retardo de backoff (si no se superan los límites máximos) incrementándose las variables NB y BE. En IEEE 802.15.4 la retransmisión de una trama por no recibirse su confirmación supone un nuevo comienzo del procedimiento de acceso, con la inicialización de las variables NB y BE. 3.6.3 Formato general y tipos de tramas MAC El formato general de las tramas MAC incluye los siguientes campos: • Una cabecera MHR (MAC Header): que incluye un campo de control, el número de secuencia, los campos de direccionamiento, e información relacionada con los mecanismos de seguridad del MAC. • Un campo de datos MSDU (MAC Service Data Unit): que contiene la carga útil (payload) de la trama, presente en aquellos tipos de trama que lo CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 56 de la batería y otro módulo para gestionar la movilidad. La figura 4.2 ilustra una representación de los módulos componentes de cada nodo de la red, cuyas principales características serán descritas a continuación. Aplicación Red IEEE-802.15.7 MAC IEEE-802.15.7 PHY Ifq Movilidad Batería Medio óptico Nodo Figura 4.2 – Módulos componentes de cada nodo de la red. Los módulos que componen la estructura de cada nodo son: • IEEE-802.15.7 PHY: modela las principales características de la capa PHY. De entre las funciones implementadas en este módulo se pueden a destacar las siguientes: o Transmisión y recepción de las PPDU (Physical Layer Data Unit) a través del medio óptico. o Cálculo de la potencia óptica con que se recibe cada trama de acuerdo a la configuración de enlace LOS directivo. o Cálculo de la relación señal a interferencia más ruido (SINR, Signal to Interference plus Noise Ratio) de cada trama. o Selección del identificador de modo de operación, o MCS-ID, que determina la velocidad de transmisión y la frecuencia de reloj a utilizar en la comunicación. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 57 o Modelado del transceptor óptico incluyendo sus parámetros característicos, como las velocidades de transmisión y recepción, y las frecuencias de reloj soportadas. o Control de los estados de la capa PHY y del transceptor óptico. o Implementación de la función CCA para comprobar si el canal de transmisión está disponible para transmitir. o Cálculo del indicador de calidad del canal óptico WQI de las tramas recibidas. o Selección del número de canal óptico para la transmisión de las tramas. o Gestión de las constantes, atributos y otros parámetros de operación de la capa PHY. o Implementación de las primitivas de servicio. • IEEE-802.15.7 MAC: modela la funcionalidad básica de la capa MAC. De entre las funciones implementadas en este módulo se destacan las siguientes: o Procedimientos de control de acceso al medio óptico con contención (CAP) y sin contención (CFP). o Transmisión de las tramas baliza desde el coordinador, para delimitar y definir la estructura de la supertrama. o Recepción de las tramas baliza en los dispositivos, y sincronización de éstos con la supertrama. o Mecanismo opcional para garantizar transmisiones fiables mediante el uso de tramas de confirmación (ACK). o Asignación y gestión simplificada de slots GTS para la transmisión en el CFP. o Retardo IFS (Interframe Space) para separación de tramas sucesivas transmitidas desde un dispositivo. o Filtrado y detección de tramas duplicadas en recepción. o Proceso simplificado de asociación de los dispositivos con el coordinador. o Gestión de los estados de la capa PHY. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 58 • Ifq (Interface Queue): implementa un cola de tipo FIFO (First In First Out) de tamaño configurable, para almacenar temporalmente los paquetes de la capa de red a ser transmitidos por la capa MAC. • Red: realiza las funciones de una capa de red básica, encaminando los paquetes dentro de la red VLC en estrella. No incluye funciones de interconexión de redes. • Aplicación: modela una capa de aplicación de funcionalidad básica, que puede actuar como fuente de tráfico generando paquetes, y como sumidero recibiendo y analizando los paquetes que recibe. • Movilidad: determina la posición y orientación de cada nodo de la red en cada instante de la simulación. Los dispositivos móviles pueden configurarse para seguir diferentes patrones de movimiento (lineal, circular, aleatorio, etc.). • Batería: modela el estado de la batería en los dispositivos móviles, que se actualiza a partir de los datos de consumo de energía proporcionados por la capa PHY. El consumo se modela dependiendo de los estados del transceptor óptico. 4.2.4 Estructura jerárquica de módulos La estructura de módulos que componen el modelo de simulación se organiza en tres niveles básicos de jerarquía, que se corresponden con los tres módulos principales que componen dicho modelo: • Ieee802157StarNet: módulo de red o de sistema, que modela el conjunto de la red VLC con topología en estrella. • Ieee802157Node: módulo compuesto con el que se modela cada uno de los nodos de la red, tanto los dispositivos móviles como el coordinador. • Ieee802157Nic: modulo compuesto que modela la interfaz de red de cada nodo, incluyendo las funciones de las capas PHY y MAC. A modo de ejemplo, en la figura 4.3 se ilustra una representación, en el entorno gráfico de simulación de OMNeT++, de los tres niveles de jerarquía citados. La red mostrada consta de cuatro dispositivos y un coordinador. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 59 Ieee802157StarNet Ieee802157Node Ieee802157Nic Figura 4.3 – Jerarquía de módulos del modelo de simulación 4.3 Trabajos previos de evaluación de prestaciones del estándar IEEE 802.15.7 Como se ha indicado en el apartado 3.6.1, la capa MAC permite el uso de una estructura denominada supertrama que sirve como marco temporal de referencia para todos los nodos de la red. La parte activa de la supertrama - durante la que se realizan las comunicaciones entre los nodos - incluye el periodo de acceso con contención o CAP (Contention Access Period). Durante este periodo, los dispositivos compiten entre sí para acceder al canal empleando la versión ranurada del algoritmo de acceso aleatorio que se ha descrito en el apartado 3.6.2. El análisis y la evaluación de prestaciones de las técnicas de control de acceso al medio es una línea de investigación abierta desde hace años, con múltiples publicaciones y aportaciones realizadas. En las redes inalámbricas destaca como uno de los trabajos seminales el realizado por G. Bianchi para el análisis del estándar IEEE 802.11, publicado en [Bianchi98] y [Bianchi00]. El método de análisis de Bainchi se basa en el uso de cadenas de Markov en tiempo discreto para modelar el comportamiento de los nodos de la red, asumiendo que en ésta no existen nodos ocultos. En el modelo de Bianchi se considera que la red se encuentra en condición de tráfico saturado (saturated traffic), lo que equivale a decir que en cada uno de sus nodos siempre hay una trama lista para ser transmitida. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 60 Con posterioridad a los estudios publicados por Bianchi, otros investigadores han publicado trabajos - basados tanto en métodos analíticos como de simulación - para analizar el rendimiento de los métodos de control de acceso al medio empleados en la capa MAC, aplicándolos a distintos escenarios y estándares de redes inalámbricas. En lo referente al estándar IEEE 802.15.7 destacan varios trabajos publicados que evalúan el rendimiento del método CSMA/CA ranurado, empleado para las transmisiones uplink (de los dispositivos al coordinador) durante el CAP de la supertrama. A continuación se reseñan los trabajos más representativos conocidos hasta la fecha. En [Hwang13] se analiza el rendimiento de las transmisiones uplink en el CAP, empleando un modelo de simulación para evaluar el throughput y el retardo medio de las tramas. Aunque los autores no especifican el modelo de canal físico empleado, ni indican si consideran o no la existencia de nodos ocultos en la red, los resultados de sus simulaciones no permiten demostrar que se haya considerado los efectos del problema del nodo oculto en el rendimiento de las transmisiones. En [Musa13] se propone un modelo de evaluación analítico basado en cadenas de Markov de tiempo discreto, con el que obtienen resultados para el throughput y el número de tramas perdidas, resultados que son contrastados mediante simulaciones realizadas con ns-2 [isi14]. Sin embargo, su modelo asume que no se retransmiten tramas cuando no se reciben confirmaciones (ACK) y descarta la existencia de nodos ocultos en la red. En [Nobar15] se realiza un análisis exhaustivo del rendimiento del método CSMA/CA con tráfico saturado, mediante un modelo basado en cadenas de Markov que refinan mediante técnicas semianalíticas. Los autores evalúan múltiples parámetros de rendimiento de la red, como el throughput, las probabilidades de transmisión y colisión de tramas, el retardo y el consumo de energía. Realizan también una verificación de sus resultados mediante simulaciones efectuadas con MATLAB [mathworks15]. Sin embargo, en su modelo descartan explícitamente la existencia de nodos ocultos en la red. Por último, en [Shams15] se realiza también un análisis basado en cadenas de Markov, obteniendo resultados para varias métricas de rendimiento de la red como el CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 61 troughput, el retardo, o la probabilidad de colisión. Pero de igual forma a los trabajos antes citados, en éste se descarta la existencia de nodos ocultos en la red. Los trabajos reseñados anteriormente tienen como denominador común el hecho de no considerar las características de propagación de la señal en el medio óptico, ni la directividad propia de los transmisores y receptores ópticos. En consecuencia, no pueden tener en cuenta los efectos del problema del nodo oculto en sus resultados. En conclusión, en base a los trabajos publicados y conocidos por el autor de esta tesis, hasta la fecha no existen estudios que evalúen el impacto de la presencia de nodos ocultos sobre el rendimiento del método CSMA/CA empleado en las transmisiones uplink realizadas durante el CAP de la supertrama, según el estándar IEEE 802.15.7. 4.4 Características de los escenarios de simulación El modelo de simulación desarrollado para realizar los trabajos de esta tesis se ha diseñado teniendo en cuenta las siguientes premisas: • De entre las topologías definidas en el estándar IEEE 802.15.7 se ha elegido la topología en estrella por considerarse la más versátil en cuanto a posibles aplicaciones de uso, en comparación con las topologías peer-to-peer y difusión. • En cuanto a la capa MAC, se ha optado por incluir el uso de la supertrama, ya que ésta permite emplear tanto el acceso al medio con contención (CAP) como el acceso sin contención (CFP). Además, el uso de la supertrama posibilita que los dispositivos ahorren energía durante el periodo inactivo de la misma. Partiendo de las premisas indicadas, el modelo de simulación ha sido diseñado con el objetivo de evaluar el rendimiento de las transmisiones uplink durante el CAP de la supertrama en una red con topología en estrella. Para ello se han definido cuatro escenarios básicos que difieren en el número de dispositivos que se comunican con el coordinador - teniéndose 4, 8, 12 y 16 dispositivos respectivamente. En todos los escenarios, los nodos de la red simulada están contenidos en un recinto cerrado, de 4 m de altura por 5 m de ancho y 5 m de largo. El coordinador se encuentra situado en el centro del techo del recinto, y está orientado apuntando hacia el suelo. Los dispositivos se ubican en posiciones fijas sobre un plano situado a una altura de 1 m sobre el suelo, distribuidos uniformemente según un patrón de rejilla cuadriculada. Los dispositivos están orientados apuntando al coordinador. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 62 En la figura 4.4 se ilustra la disposición de los nodos de la red simulada en el escenario con 4 dispositivos. Dispositivo Dispositivo Dispositivo Coordinador 4 m 5 m 5 m 1 m Dispositivo 1 m 1 m 1 m Figura 4.4 – Escenario de red en estrella con cuatro dispositivos. A continuación se describen aquellas características específicas del modelo de simulación cuyo conocimiento es necesario para interpretar adecuadamente los resultados obtenidos en las simulaciones realizadas. 4.4.1 Modelo de canal óptico En el modelo implementado, la transmisión entre los nodos de la red se realiza a través del espacio libre y sin presencia de obstáculos. Para modelar la propagación de las señales ópticas en el medio se ha elegido la configuración de enlace LOS, que precisa de una línea de visión entre cada dispositivo y el coordinador. En el cálculo de la potencia de la señal óptica recibida se ha considerado la contribución de la componente directa de la señal, no contemplándose la existencia de reflexiones en la misma (véase el apartado 2.3.3). De acuerdo a los resultados presentados en [Komine04], con un campo de visión (FOV) de 60º en el receptor, la componente de luz directa en VLC supone al menos el 90% de la potencia óptica total recibida. Por ello, para garantizar la validez del modelo implementado se han configurado los receptores ópticos con el valor de 60º para el campo de visión. El modelo de canal óptico adoptado tiene la ventaja de facilitar que se alcancen altas velocidades de transmisión, al no considerarse los efectos de la distorsión por CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 63 multipropagación sobre la señal óptica. Entre sus inconvenientes se encuentra la limitación en la movilidad de los dispositivos, al requerirse que éstos deban estar permanentemente orientados apuntando al coordinador. Para satisfacer este requerimiento, en el modelo de simulación se ha dotado a los dispositivos de la capacidad de orientarse automáticamente apuntando al coordinador. El cálculo de la potencia recibida considerando la componente directa de la señal presenta la ventaja adicional de mejorar la eficiencia de ejecución del modelo de simulación implementado. Se reduce significativamente la carga computacional necesaria para ejecutar simulaciones de escenarios con múltiples nodos, en los que se modela la funcionalidad de las diversas capas de la arquitectura. El modelo de canal utilizado (LOS directivo) ha sido empleado en múltiples trabajos publicados, elaborados con el fin de analizar diferentes aspectos del funcionamiento de sistemas VLC mediante simulaciones. Ejemplos de dichos trabajos son los realizados por [Hou15], [Deqiang07], [Mondal12], [Nguyen13] y [Wang15]. En el modelo de canal empleado se ha simplificado también el cálculo de la ganancia del concentrador óptico G(ψ) y del coeficiente de transmisión T(ψ) del filtro óptico del receptor - véase la expresión (2.7). Se ha considerado que ambos son constantes y no dependen del ángulo ψ con el que la señal óptica incide sobre receptor. 4.4.2 Procedimiento de acceso al medio de transmisión El procedimiento de acceso al medio de transmisión usado en el modelo de simulación se basa en el algoritmo de acceso aleatorio CSMA/CA ranurado definido en el estándar y descrito en el apartado 3.6.2. Este procedimiento es utilizado para las transmisiones uplink realizadas durante el CAP de la supertrama, que son denominadas transmisiones directas en el estándar. Al algoritmo implementado en el modelo de simulación se le han añadido los pasos necesarios para verificar que no se sobrepase el número máximo de retransmisiones de tramas, de acuerdo a la cláusula 5.1.7.5 del estándar [IEEE802.15.72011]. En dicha cláusula se especifica que, una vez transmitida la trama, si no se recibe la correspondiente confirmación (ACK) se considera fallida la transmisión y la trama debe ser retransmitida, pudiendo repetirse esta secuencia hasta un máximo de macMaxFrameRetries veces. De esta forma, si la transmisión de una trama falla un total CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 64 de (1 + macMaxFrameRetries) veces, la capa MAC terminará el procedimiento con un fallo de transmisión de trama. Para cumplir con este requerimiento, se ha añadido al algoritmo de acceso aleatorio una variable, numRetries, que contabiliza el número de retransmisiones de cada trama, así como los pasos necesarios para verificar que no se realicen más de macMaxFrameRetries retransmisiones de cada trama. En la figura 4.5 se ilustra el organigrama del algoritmo de acceso aleatorio implementado en el modelo de simulación, en el que se han diferenciado en color azul los elementos añadidos para el control del número máximo de retransmisiones. Acceso aleatorio ranurado NB = 0 BE = macMinBE numRetries = 0 Localizar límite periodo backoff Retardo aleatorio de [0, 2BE -1] periodos de backoff ¿Detección de portadora activa? Realizar CCA alineado con periodo de backoff ¿Canal disponible? Transmitir trama ¿ACK requerido? ¿ACK recibido en macAckWaitDuration ? Exito BE = min(BE+1, macMaxBE) NB = NB + 1 NB <= macMaxCSMABackoffs ? Fallo no no no no si si si si si no numRetries <= macMaxFrameRetries ? numRetries = numRetries + 1 si no Figura 4.5 – Algoritmo de acceso aleatorio implementado en el modelo de simulación. CAPÍTULO 4. MODELO DE SIMULACIÓN 65 4.4.3 Caracterización del tráfico de la capa de aplicación Para evaluar el rendimiento de las comunicaciones uplink en el modelo de simulación, la capa de aplicación en cada dispositivo genera paquetes de datos destinados al coordinador. Los intervalos de tiempo entre los paquetes siguen una distribución de probabilidad exponencial. Cada paquete se encapsula en la MSDU de una trama de datos de la capa MAC. Si los paquetes generados en la capa de aplicación tienen un tamaño de L bits y el tiempo medio entre paquetes es ts segundos, la aplicación en cada dispositivo producirá una carga de media de transmisión sobre la red TL igual a: )(bps t L T s L= (4.1) Por conveniencia, la carga de transmisión puede expresarse de forma normalizada como un porcentaje de la velocidad de transmisión empleada en la capa física para las transmisiones uplink. De esta forma, si Rb es el régimen binario o velocidad de transmisión - en bits por segundo - la carga de transmisión normalizada resultará: (%) b s LRt L T⋅ = (4.2) Para evaluar el rendimiento de las transmisiones uplink se han diseñado varios escenarios que difieren en el número de dispositivos N (4, 8, 12 y 16) que forman parte de la red en estrella simulada. En todos los escenarios la capa de aplicación emplea la misma configuración para todos los dispositivos, con lo que la carga total ofrecida sobre la red resultará: (%) b s LT Rt L NTNT ⋅ ⋅=⋅= (4.3) CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 72 5.1.4 Parámetros de simulación de la capa de aplicación y la cola Ifq En cuanto a la capa de aplicación, se han configurado tres tamaños de paquete para las simulaciones: 512 bytes, 1.024 bytes y 1.500 bytes. El mayor tamaño de paquete se ha seleccionado por ser igual al tamaño de la máxima unidad de transmisión, MTU (Maximum Transmission Unit), del estándar Ethernet. Para cada tamaño de paquete, la carga total producida por la capa de aplicación depende del intervalo de tiempo medio entre paquetes, tal y como se indicó en el apartado 4.4.3. De acuerdo a la arquitectura del modelo de simulación implementado (véase el apartado 4.2.3) los paquetes de la capa de aplicación, tras pasar por la capa de red y ser almacenados en la cola Ifq, pasan a la capa MAC para ser encapsulados y transmitidos en tramas. Cada paquete de la capa de aplicación se encapsula en la MSDU de una trama. En las simulaciones realizadas se ha configurado el tamaño de la cola Ifq con capacidad para almacenar un paquete de la capa aplicación. 5.1.5 Condiciones de simulación con tráfico saturado El principal objetivo con que se han realizado las simulaciones con tráfico saturado es poder contrastar los valores obtenidos del modelo de simulación con los resultados presentados en otros trabajos publicados, como los reseñados en el apartado 4.3. Concretamente, se han utilizado como referencia los resultados presentados en [Nobar15], donde se evalúan las prestaciones de la red cuando ésta se encuentra en condición de tráfico saturado, condición que implica que siempre hay una trama disponible para ser transmitida en la capa MAC de cada dispositivo. En el trabajo referido se modela el canal de transmisión como ideal, no considerándose los efectos de la propagación en el medio de transmisión sobre la señal óptica recibida. La aplicación de este modelo de canal trae como consecuencia dos premisas importantes en cuanto a la caracterización de la red: • No pueden existir nodos ocultos, ya que no se considera la directividad en los transmisores ni receptores, y no hay pérdidas de potencia óptica en el canal debidas a la distancia de separación entre los nodos. • La única causa que puede producir un fallo en la transmisión de una trama es la colisión producida por la transmisión simultánea de dos o más nodos. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 73 Las dos premisas citadas se verifican en el modelo de simulación implementado cuando se emplea la configuración de la capa PHY mediante la que se elimina la posible existencia de nodos ocultos en la red. Otras características fijadas en el modelo presentado en [Nobar15] en cuanto al funcionamiento de la capa MAC son: • Envío de tramas de confirmación (ACK) por el coordinador para confirmar la recepción de las tramas de datos enviadas por los dispositivos. • Uso de la función CCA para detectar el estado del canal antes de transmitir, empleándose el algoritmo de acceso aleatorio CSMA/CA ranurado para acceder al canal. • Uso de la supertrama como marco de referencia temporal, dedicándose la totalidad del tiempo disponible en la misma a la parte activa, y al periodo de acceso con contención (CAP). Todas las características mencionadas están incorporadas igualmente en el modelo de simulación implementado para esta tesis. No obstante hay que mencionar que, con el fin de simplificar su modelo, en [Nobar15] no se contempla la transmisión periódica de tramas baliza para delimitar las supertramas, lo que equivale decir que en su modelo se considera una supertrama de duración infinita. Para equiparar lo más posible el modelo implementado a una configuración de supertrama de duración infinita, se han realizado las simulaciones con tráfico saturado empleando el mayor valor permitido para los parámetros BO (macBeaconOrder) y SO (macSuperframeOrder) cuando se transmiten tramas baliza. De esta forma, ambos parámetros han sido configurados con el siguiente valor: BO = SO = 14 (5.3) Para satisfacer la condición de que la red se encuentre en condición de tráfico saturado es necesario garantizar que siempre haya una trama de datos disponible para ser transmitida por la capa MAC en cada nodo. En el modelo implementado, la condición de tráfico saturado se ha satisfecho configurando el tiempo medio con que se generan los paquetes de la capa de aplicación con valores que garanticen que la capa MAC nunca se CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 74 quede sin paquetes de datos disponibles para encapsular y transmitir. Con los parámetros de configuración empleados, la condición de tráfico saturado se consigue configurando los tiempos medios entre paquetes con valores del orden de unas pocas decenas de microsegundos. 5.1.6 Resultados de simulación con tráfico saturado Se ha usado el throughput normalizado como métrica para la comparación entre los resultados presentados en [Nobar15] y los obtenidos del modelo de simulación implementado. En [Nobar15], se define como throughput normalizado el porcentaje de tiempo que la red ha estado transmitiendo tramas de datos con éxito, incluyendo el tiempo necesario para la transmisión de los bits añadidos por las capas PHY y MAC. Esta definición de throughput ha sido utilizada para obtener los resultados del modelo de simulación implementado que se presentan en este apartado. En la tabla 5.3 se indican los valores de throughput obtenidos con el modelo implementado y los valores correspondientes a las gráficas de resultados presentadas en [Nobar15]. N (numero de dispositivos en la red) Throughput (modelo implementado) Throughput [Nobar15] 4 71% 70% 8 57% 65% 12 48% 55% Tabla 5.3 – Valores de throughput con tráfico saturado. Los valores presentados en la tabla 5.3 muestran que cuando la red está en condición de tráfico saturado, el throughput disminuye según aumenta el número de dispositivos en la red. Al aumentar el número de dispositivos se incrementa la carga total sobre la red, aumentado la probabilidad de que existan colisiones y disminuyendo la probabilidad de que cada dispositivo encuentre el canal disponible para transmitir. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 75 Los valores de throughput de la tabla 5.3 obtenidos del modelo de simulación implementado corresponden a un tamaño de paquete de la capa de aplicación de 1.024 Bytes. En cuanto a los valores obtenidos de [Nobar15], no se especifica el tamaño de paquete con el que fueron obtenidos. Si bien no puede concluirse que la comparación de los valores de throughput puede servir como validación estricta de los resultados de un modelo con los del otro, sí se puede afirmar que los resultados obtenidos en ambos se encuentran en órdenes de magnitud similares. 5.1.7 Condiciones de simulación con tráfico no saturado Para evaluar las prestaciones de la red con tráfico no saturado - manteniendo la configuración que excluye la existencia de nodos ocultos - se realizaron múltiples simulaciones variando la carga total ofrecida entre el 1% y el 200% de la velocidad de transmisión. Las simulaciones se repitieron empleando los tamaños de paquete de la capa de aplicación de 512 Bytes, 1.024 Bytes y 1.500 Bytes. No obstante, se comprobó que – con tráfico no saturado y manteniendo fijos el resto de parámetros de configuración – los resultados de las simulaciones no se ven afectados de forma significativa por el tamaño de paquete de aplicación usado, manteniéndose el margen de variación de los resultados por debajo del 5%. Por ello, se ha decidido presentar - en este apartado y en los posteriores - únicamente los resultados obtenidos con el tamaño de paquete intermedio de 1.024 Bytes. En cuanto a la longitud de la supertrama, las simulaciones con tráfico no saturado se han configurado con el siguiente valor para los parámetros BO (macBeaconOrder) y SO (macSuperframeOrder): BO = SO = 9 (5.4) Se ha usado el valor indicado por ser éste el mínimo que permite que en cada supertrama todos los dispositivos de la red tengan opción de transmitir una trama de datos en todos los escenarios (con N = 4, 8, 12 y 16 dispositivos), de acuerdo a las condiciones fijadas para la simulación. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 76 Con la frecuencia de reloj de 3,75 MHz (de acuerdo al modo de operación seleccionado MCS-ID 16) y el valor asignado para BO y SO, resulta una duración de la parte activa de la supertrama, SD, igual al intervalo entre tramas baliza, BI, teniendo ambos el siguiente valor: segsBISD 1 10310,1 − ⋅== (5.5) El valor de duración de la supertrama indicado da cabida para que en ella se puedan realizar con éxito hasta 16 transmisiones de tramas de datos, considerando el tiempo medio necesario para que un dispositivo transmita una trama de datos con éxito en el primer intento empleando el algoritmo CSMA/CA, con una velocidad de transmisión de 1,25 Mbps (modo MCS-ID 16) y un tamaño de paquete de aplicación de 1.024 Bytes. Se realizaron también simulaciones asignando valores superiores a los parámetros BO y SO, hasta alcanzar el máximo que permite el estándar cuando se utiliza la supertrama (SO = BO = 14). Se comprobó que las prestaciones de la red tienden a mejorar a medida que aumenta el valor de BO y SO. No obstante, los resultados de las simulaciones que se presentan a continuación se han obtenido con los valores de BO y SO indicados en (5.4). 5.1.8 Resultados de simulación con tráfico no saturado A partir de las simulaciones realizadas se han evaluado las prestaciones de la red haciendo uso de las siguientes métricas: • Goodput extremo a extremo: calculado como el número medio de bits por unidad de tiempo de los paquetes de la capa de aplicación recibidos en el coordinador. Este valor se ha normalizado, expresándolo como el porcentaje de la velocidad de transmisión empleada en la capa PHY. Se ha preferido usar el goodput en vez del throughput (empleado en el apartado 5.1.6), porque el goodput cuantifica la tasa neta de transmisión obtenida a partir del servicio ofrecido por la capa MAC. • Tasa de pérdida de paquetes extremo a extremo: porcentaje del total de paquetes de la capa de aplicación generados en los dispositivos que no son recibidos en el coordinador. Los paquetes no llegan a ser recibidos en el CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 77 coordinador por ocurrir una de las siguientes causas: por desbordamiento en la cola Ifq de los dispositivos, por producirse fallos de acceso al canal (al sobrepasarse el límite macMaxCSMABackoff), o por haber fallos de transmisión de trama (al sobrepasarse el límite macMaxFrameRetries) durante la ejecución del algoritmo CSMA/CA en los dispositivos. • Estadísticas del CSMA/CA: de la ejecución del algoritmo de acceso aleatorio en cada dispositivo se han obtenido diversas estadísticas, como el porcentaje de tramas transmitidas con éxito, el porcentaje de colisiones (tramas de confirmación no recibidas), el porcentaje de fallos de acceso al canal (por sobrepasarse macMaxCSMABackoff) y el de fallos de transmisión de trama (por sobrepasarse macMaxFrameRetries). • Tiempos de transacciones CSMA/CA: calculados tanto para las transacciones terminadas con éxito como para las transacciones fallidas. En las transacciones terminadas con éxito se calcula el tiempo transcurrido desde el instante en que cada trama de datos comienza a ser procesada por el algoritmo CSMA/CA, hasta el momento en que se recibe su trama de confirmación. En las transacciones terminadas con fallo, el tiempo se contabiliza hasta el instante en que la trama es descartada por sobrepasarse los límites máximos macMaxCSMABackoff o macMaxFrameRetries. • Consumo de energía: calculado a partir de la corriente eléctrica consumida por los transceptores ópticos de los dispositivos. Este consumo se ha modelado dependiendo de los distintos estados que pueden tomar dichos transceptores. A continuación se presentan los resultados obtenidos para cada una de las métricas citadas. Goodput y tasa de pérdida de paquetes En la figura 5.1 se representan los valores de goodput obtenidos para los cuatro escenarios (con N = 4, 8, 12 y 16 dispositivos) en función de la carga total ofrecida sobre la red. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 78 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Goodput 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.1 –Goodput en función de la carga sobre la red, sin nodos ocultos. En la figura 5.1 puede observarse cómo aumenta el valor del goodput a medida que aumenta la carga, si bien se observa que cuanto mayor es ésta, menor es el goodput en los escenarios con mayor número de dispositivos en la red. Esto se justifica porque cuanto mayor es el número de dispositivos en la red, mayor es el porcentaje de colisiones para una misma carga total ofrecida, como puede comprobarse a partir de las estadísticas obtenidas del funcionamiento del algoritmo CSMA/CA que se presentan a continuación, en la tabla 5.4. El aumento de las colisiones con el número de dispositivos contribuye a que el goodput disminuya y la tasa de pérdida de paquetes aumente cuando el número de dispositivos se incrementa. Aunque el objetivo de los resultados presentados en este apartado es evaluar las prestaciones de la red cuando ésta se encuentra en condición de tráfico no saturado, se ha comprobado que para valores de carga mayores al 200%, el goodput continúa aumentando hasta alcanzar un valor máximo, que representa el punto de equilibrio entre CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 79 la carga y la capacidad de transmisión de la red. A partir de este punto, si la carga continúa aumentando, los resultados del goodput en cada escenario comienzan a disminuir, hasta tomar finalmente los valores correspondientes al estado en que la red se encuentra en condición de tráfico saturado. En la figura 5.2 se representan los valores obtenidos para la tasa de pérdida de paquetes, pudiendo comprobarse cómo aumenta la misma tanto con la carga como con el número de dispositivos de la red. Dicha dependencia queda justificada en detalle con las estadísticas obtenidas del funcionamiento del algoritmo CSMA/CA que se presentan a continuación. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Tasa de pérdida de paquetes 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.2 – Tasa de pérdida de paquetes, sin nodos ocultos. Estadísticas del CSMA/CA Para analizar cómo el algoritmo de acceso al canal CSMA/CA afecta al goodput y a la tasa de pérdida de paquetes, se han obtenido estadísticas detalladas de su CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 80 funcionamiento en la capa MAC de los dispositivos. La tabla 5.4 muestra los resultados de las estadísticas obtenidas para los escenarios de 4 y 16 dispositivos, para tres valores de carga seleccionados: 10%, 50% y 200%. Los valores de las estadísticas mostradas se han calculado promediando los resultados obtenidos en todos los dispositivos de cada escenario. La tabla 5.4 muestra los valores de las siguientes estadísticas: • Tramas transmitidas con éxito: porcentaje de las tramas de datos que han sido transmitidas por los dispositivos y reconocidas mediante tramas de confirmación enviadas por el coordinador. Este porcentaje está calculado sobre el total de las tramas de datos que la capa MAC intenta transmitir. • Fallos de acceso al canal: porcentaje de tramas para las que el algoritmo CSMA/CA ha terminado con fallo por haberse excedido el límite del número máximo de backoffs (macMaxCSMABackoffs, véase el apartado 4.4.2). Las tramas terminadas con fallo - y los paquetes de aplicación encapsulados en ellas - son descartadas por la capa MAC en los dispositivos. Este porcentaje está calculado sobre el total de las tramas de datos que la capa MAC intenta transmitir. • Fallos de transmisión de trama: porcentaje de tramas para las que el algoritmo CSMA/CA ha terminado con fallo por excederse el límite máximo del número de reintentos de transmisión (macMaxFrameRetries, véase el apartado 4.4.2). Las tramas afectadas - y los paquetes encapsulados en ellas - son descartadas por la capa MAC en los dispositivos. Este porcentaje está calculado sobre el total de tramas de datos que la capa MAC intenta transmitir. • Colisiones: porcentaje de las transmisiones de tramas realizadas para las que no se ha recibido su correspondiente trama de reconocimiento, por haberse producido un fallo en la transmisión. De acuerdo con las condiciones de simulación fijadas, la única causa que puede provocar el fallo en la transmisión de una trama es una colisión. Este porcentaje está calculado sobre el total de las transmisiones de tramas de datos realizadas por la capa MAC. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 81 N (numero de dispositivos) Carga total ofrecida Tramas transmitidas con éxito Fallos de acceso al canal Fallos de transmisión de trama Colisiones 10% 93.2% 6.8% 0% 0.5% 50% 71.8% 28.2% 0% 2.9% 4 200% 38.2% 61.8% 0% 11.0% 10% 91.1% 8.9% 0% 0.8% 50% 67.4% 32.6% 0% 3.8% 16 200% 32.8% 67.2% 0% 14.2% Tabla 5.4 – Estadísticas obtenidas del CSMA/CA, sin nodos ocultos. En la tabla 5.4 se observa que el porcentaje de tramas transmitidas con éxito disminuye a medida que aumentan la carga y el número de dispositivos en la red, lo cual corrobora los resultados de tasa de pérdida de paquetes presentados en la figura 5.2. No obstante, hay que tener en cuenta que en la tasa de pérdida de paquetes se contabilizan también los paquetes de la capa de aplicación que no llegan a la capa MAC, a causa del desbordamiento de la cola Ifq. A modo de ejemplo, se puede indicar que en el escenario con 4 dispositivos y con la carga del 200%, el porcentaje de tramas transmitidas con éxito referido al total de tramas procesadas en la capa MAC es del 38,2% (según se indica en la tabla 5.4). En el mismo escenario y con la misma carga, se verifica (según los valores de tasa de pérdida de paquetes de la figura 5.2) que el porcentaje de paquetes transmitidos con éxito se reduce a un 36%. La diferencia entre ambos porcentajes se debe a los paquetes de la capa de aplicación que no llegan a la capa MAC por el desbordamiento de la cola Ifq. Los valores mostrados en la tabla 5.4 muestran que, en ausencia de nodos ocultos, todos los fallos producidos en el algoritmo CSMA/CA están contabilizados en la columna de fallos de acceso al canal, producidos cuando se excede el límite macMaxCSMABackoffs. El número de retransmisiones de tramas por colisiones no es lo suficientemente alto como para provocar fallos en el algoritmo CSMA/CA al excederse el límite máximo de retransmisiones (macMaxFrameRetries), como puede observarse en la columna de fallos de transmisión de tramas, cuyo valor es siempre del 0%. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 88 los dispositivos móviles, la configuración de enlace LOS directivo da lugar a la aparición de nodos ocultos en la red. 5.2.1 Parámetros y condiciones de simulación En la tabla 5.6 se presentan los principales parámetros de configuración de la capa PHY, empleados con la configuración de enlace LOS directivo. Se remarcan en negrita los parámetros añadidos o que modifican su valor en relación con los parámetros usados en las simulaciones realizadas sin nodos ocultos. Parámetro Valor Velocidad de Transmisión (MCS-ID 16) 1,25 Mbps Frecuencia del reloj óptico (MCS-ID 16) 3,75 MHz Potencia óptica de transmisión del coordinador 1.500 mW Potencia óptica de transmisión de los dispositivos 30 mW Angulo de potencia mitad θ1/2 60º Campo de visión (FOV) 60º Área del elemento fotodetector (A) 1 cm2 Responsividad del fotodetector (R) 0,54 Ganancia del concentrador óptico (G) 15 Coeficiente de transmisión del filtro óptico (T) 1 Duración de la función CCA 8 ciclos de reloj aTurnaroundTime-TX-RX 0 ciclos de reloj aTurnaroundTime-RX-TX 8 ciclos de reloj Tabla 5.6 –Parámetros de configuración de la capa PHY cuando hay nodos ocultos. Según el modelo de canal óptico presentado en el apartado 2.3.3, la directividad de los transmisores queda caracterizada por su ángulo de potencia mitad, θ1/2, mientras que en los receptores queda definida por su campo de visón, FOV. A ambos parámetros se les ha asignado un valor de 60º, de acuerdo a [Komine04], con el fin de garantizar la validez del modelo de canal implementado, en el que el cálculo de la potencia óptica recibida se realiza considerando únicamente la componente directa de la señal entre transmisor y receptor. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 89 Para la potencia óptica de transmisión de los dispositivos se ha usado un valor de 30 mW, acorde con las limitaciones de consumo impuestas en los terminales móviles alimentados por baterías. Con el fin de simplificar el proceso de cálculo del modelo, los valores de la ganancia del concentrador (G) y el coeficiente de transmisión del filtro óptico (T) se han considerado constantes, no teniéndose en cuenta la dependencia que tienen con el ángulo de incidencia (ψ) con que la señal óptica llega al receptor. En cualquier caso, los valores seleccionados para los parámetros de configuración de la capa PHY son conformes con los empleados para caracterizar los transmisores y receptores en redes VLC con configuración de canal LOS directivo, y se ajustan a los utilizados en trabajos que emplean dicho modelo de canal, como [Deqiang07], [Komine03] y [Tronghop12]. Empleando la configuración descrita, se comprobó que en los cuatro escenarios de simulación – con 4, 8, 12 y 16 dispositivos – únicamente es posible establecer la comunicación entre cada dispositivo y el coordinador. Ninguno de los dispositivos de la red es capaz de detectar la transmisión de ningún otro, a causa de la directividad de los transmisores y receptores ópticos, y la limitada potencia de transmisión de los dispositivos. Se puede concluir entonces que en redes VLC con topología en estrella y configuración de canal LOS directivo todos los dispositivos de la red son nodos ocultos entre sí. Para el resto de parámetros de configuración de la capa MAC, la cola Ifq, y la capa de aplicación, se mantienen los mismos valores usados en las simulaciones que se realizaron para evaluar las prestaciones de la red con tráfico no saturado y sin presencia de nodos ocultos. 5.2.2 Resultados de simulación con tráfico no saturado En este apartado se presentan los resultados de las simulaciones realizadas con la red en condición de tráfico no saturado y con la configuración de canal LOS directivo. Los resultados se presentan haciendo uso de las mismas métricas empleadas en el apartado 5.1.8. El análisis de los resultados de las simulaciones realizadas con nodos ocultos y su comparación con los resultados obtenidos sin ellos permitirá demostrar el efecto que dichos nodos tienen sobre las prestaciones de la red. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 90 Goodput y tasa de pérdida de paquetes En la figura 5.1 se representan los valores de goodput obtenidos para los cuatro escenarios en función de la carga total ofrecida sobre la red. En dicha figura puede observarse que el goodput máximo no alcanza el 20% de la velocidad de transmisión en ninguno de los escenarios, valor que queda muy por debajo del máximo goodput conseguido cuando no existen nodos ocultos en la red (entre el 65% y el 72%). También puede observarse cómo el goodput comienza a descender de forma abrupta a partir de valores de cargas mayores al 30% – a causa del creciente número de colisiones – hasta alcanzar un valor prácticamente igual al 0%. 0% 5% 10% 15% 20% 25% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Goodput 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.7 - Goodput en función de la carga total sobre la red, con nodos ocultos. Los resultados de goodput obtenidos se ven confirmados con los valores de la tasa de pérdida de paquetes presentados en la figura 5.8, donde se observa cómo ésta aumenta rápidamente con la carga, en comparación con los resultados obtenidos cuando no existen nodos ocultos en la red. Comparando las gráficas del goodput de la figura 5.7 y de tasa de CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 91 pérdida de paquetes de la figura 5.8, se puede comprobar que para valores de carga superiores al 150% el goodput es prácticamente nulo y la tasa de pérdida de paquetes es casi el 100%. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Tasa de pérdida de paquetes 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.8 - Tasa de pérdida de paquetes, con nodos ocultos. Con el fin de visualizar la magnitud de la degradación de las prestaciones de la red a causa de la aparición de los nodos ocultos, en las figuras 5.9 y 5.10 se muestra la comparación de los valores obtenidos para el goodput y la tasa de pérdida de paquetes en los escenarios con 4 y 16 dispositivos, para el caso en que no hay nodos ocultos - caso (1) - y en el que sí hay nodos ocultos en la red - caso (2). En las figuras 5.9 y 5.10 resultan evidentes las notables diferencias entre los valores de goodput y tasa de pérdida de paquetes obtenidos para ambos casos, demostrándose además que la degradación de las prestaciones se hace más pronunciada a medida que aumenta la carga ofrecida sobre la red. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 92 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Goodput 4 dispositivos (1) 16 dispositivos (1) 4 dispositivos (2) 16 dispositivos (2) Figura 5.9 –Goodput en ausencia (1) y presencia (2) de nodos ocultos. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% 110% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Tasa de pérdida de paquetes 4 dispositivos (1) 16 dispositivos (1) 4 dispositivos (2) 16 dispositivos (2) Figura 5.10 - Tasa de pérdida de paquetes en ausencia (1) y presencia (2) de nodos ocultos. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 93 Estadísticas del CSMA/CA La tabla 5.7 muestra los resultados de las estadísticas obtenidas del CSMA/CA para los escenarios de 4 y 16 dispositivos, y los valores de carga seleccionados del 10%, 50% y 200%. Los valores mostrados se han calculado promediando los resultados obtenidos en todos los dispositivos de cada escenario. Los porcentajes de las columnas de tramas transmitidas con éxito, de fallos de acceso al canal y de fallos de transmisión de trama están calculados sobre el total de las tramas de datos que la capa MAC intenta transmitir. El porcentaje de colisiones está calculado sobre el total de transmisiones de tramas de datos realizadas por la capa MAC. N (numero de dispositivos) Carga total ofrecida Tramas transmitidas con éxito Fallos de acceso al canal Fallos de transmisión de trama Colisiones 10% 85,9% 0% 14,1% 41% 50% 28,61% 0,03% 71,36% 91,2% 4 200% 0.1% 0% 99,9% 99,9% 10% 82% 0% 18% 0.8% 50% 22,73% 0.02% 77,25% 93,3% 16 200% 0,02% 0% 99,98% 99,9% Tabla 5.7 - Estadísticas obtenidas del CSMA/CA, con nodos ocultos. Al igual que sucede con las estadísticas obtenidas cuando no hay nodos ocultos en la red (véase la tabla 5.4), el porcentaje de tramas transmitidas con éxito disminuye a medida que aumenta la carga y el número de nodos en la red. Sin embargo, en presencia de nodos ocultos es mucho más pronunciada la disminución del porcentaje de tramas transmitidas con éxito, llegando a ser prácticamente el 0% con una carga del 200% en todos los escenarios. La acusada disminución de las tramas transmitidas con éxito se debe al rápido incremento del número de colisiones, cuyo porcentaje resulta ser superior al 90% para cargas mayores al 50%. Debido al elevado porcentaje de colisiones, la práctica totalidad de los fallos producidos en el algoritmo CSMA/CA aparecen contabilizados en la columna de fallos de transmisión de trama, producidos cuando se excede el límite máximo de CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 94 retransmisiones (macMaxFrameRetries), lo que supone una clara diferencia con las estadísticas obtenidas cuando no hay nodos ocultos, donde todos los fallos producidos en el algoritmo CSMA/CA están contabilizados en la columna de fallos de acceso al canal, producidos cuando se excede el límite macMaxCSMABackoffs. Tiempos de transacciones CSMA/CA En la figura 5.11 se representan los valores de los tiempos medios de las transacciones CSMA/CA terminadas con éxito, en función de la carga total ofrecida sobre la red. Los tiempos presentados en la figura 5.11 son los promedios de los valores obtenidos de todos los dispositivos. En dicha figura puede observarse que los tiempos de las transacciones aumentan con el número de dispositivos en la red, al ser necesarias más retransmisiones de tramas a causa del mayor número de colisiones existentes en los escenarios con más dispositivos. 6.00E-03 7.00E-03 8.00E-03 9.00E-03 1.00E-02 1.10E-02 1.20E-02 1.30E-02 1.40E-02 1.50E-02 1.60E-02 0% 50% 100% 150% 200% Carga total ofrecida Tiempos de transacciones CSMA/CA (segs) 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.11 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con éxito, con nodos ocultos. En la figura 5.11 se observa también que los tiempos de las transacciones terminadas con éxito experimentan un incremento notable con la carga, siempre que ésta no sobrepase el 150%. Para valores de carga mayores al 150% se produce una inversión CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 95 en dicha tendencia, debido al bajo número de de transacciones que terminan con éxito y al hecho de que una parte importante de las mismas termina tras haberse realizado un menor número de retransmisiones. Comparando los tiempos de las transacciones terminadas con éxito cuando hay nodos ocultos, en la figura 5.11, con los tiempos obtenidos sin nodos ocultos, en la figura 5.3, se comprueba que con nodos ocultos el aumento de dichos tiempos con la carga es mucho más pronunciado, por el incremento en el número de retransmisiones de tramas que hay que realizar a causa de las colisiones. En la figura 5.12 se representan los tiempos medios de las transacciones terminadas con fallo. Los resultados de las simulaciones mostrados en la figura indican que en todos los escenarios los tiempos de las transacciones fallidas se mantienen muy próximos al valor: tfallo = 2,83·10-2 seg. (5.8) Teniendo en cuenta el valor del tiempo necesario para realizar la transmisión de una trama y su correspondiente confirmación ttrama+ack, indicado en la expresión (5.7), el tiempo necesario para realizar 4 transmisiones de tramas y sus respectivas confirmaciones resultará: t4trama+ack = 4 · ttrama+ack = 4 · 6,81·10-3 = 2,72·10-2 segs. (5.9) Este valor de tiempo obtenido, t4trama+ack , sumado a los tiempos necesarios para realizar los backoffs, los alineamientos con los slots de la supertrama, y las llamadas a la función CCA, resulta en un orden de magnitud similar al tiempo de las transacciones fallidas, tfallo, indicado en (5.8). De esta forma, se puede afirmar que, en promedio, las transacciones fallidas terminan después de haberse realizado 4 transmisiones de tramas, al verse sobrepasado el límite máximo de reintentos de transmisión dado por el atributo macMaxFrameRetries, cuyo valor se ha fijado a 3 reintentos. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 96 2.00E-02 2.10E-02 2.20E-02 2.30E-02 2.40E-02 2.50E-02 2.60E-02 2.70E-02 2.80E-02 2.90E-02 3.00E-02 0% 50% 100% 150% 200% Carga total ofrecida Tiempos de transacciones CSMA/CA (segs) 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.12 - Tiempos de transacciones CSMA/CA terminadas con fallo, con nodos ocultos. Consumo de energía En la figura 5.13 se muestran el consumo medio de corriente del transceptor de cada dispositivo en función de la carga ofrecida. En comparación con los valores de consumo obtenidos cuando no hay nodos ocultos (véase la figura 5.5), los consumos con nodos ocultos se mantienen en valores superiores en la práctica totalidad de los valores de carga y en todos los escenarios. Comparando los consumos obtenidos cuando hay nodos ocultos, presentados en la figura 5.13, con los obtenidos sin nodos ocultos, en la figura 5.5, se comprueba que las diferencias existentes entre ellos se hacen más notables a medida que aumenta la carga. El mayor incremento en los consumos con nodos ocultos se debe al aumento en el número de retransmisiones de tramas que hay que realizar, causa de las colisiones producidas en la red. CAPÍTULO 5. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES 97 0.00E+00 2.00E-01 4.00E-01 6.00E-01 8.00E-01 1.00E+00 1.20E+00 1.40E+00 1.60E+00 1.80E+00 0% 20% 40% 60% 80% 100% 120% 140% 160% 180% 200% Carga total ofrecida Consumo (mA) 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 5.13 - Consumo medio de corriente por dispositivo, con nodos ocultos. Las diferencias entre los consumos obtenidos en ausencia y presencia de nodos ocultos quedan más patentes si se emplea como indicador el consumo total de corriente por byte de carga útil (byte de la MSDU) transferido en la red; es decir, la corriente que ha de ser consumida por todos los dispositivos de la red para recibir con éxito en el coordinador un byte de los paquetes de la capa de aplicación. En la tabla 5.8 se muestran los resultados de consumo de corriente por byte, para los escenarios de 4 y 16 dispositivos y para los valores de carga del 50%, 100% y 200%. Los valores de la tabla 5.8 muestran que a medida que aumenta la carga ofrecida hay un incremento de los consumos por byte en ambos escenarios, tanto en ausencia como en presencia de nodos ocultos. No obstante, puede observarse que en presencia de nodos ocultos y con cargas mayores al 100%, los consumos por byte alcanzan valores superiores en varios órdenes de magnitud a los consumos obtenidos sin nodos ocultos. CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 104 Figura 6.1 – Uso de patrones de inactividad fuera de banda (a) y dentro de banda (b) como mecanismo de señalización en el coordinador. La solución propuesta presenta la ventaja de no requerir modificaciones en las especificaciones que el estándar IEEE 802.15.7 fija para las características de las capas PHY y MAC de los dispositivos y el coordinador: • En cuanto al coordinador, el estándar establece que éste debe ser capaz de transmitir los patrones de inactividad al mismo tiempo que recibe las tramas procedentes de los dispositivos, gracias a la separación espacial existente entre el componente transmisor (LED) y receptor (foto detector) de los transceptores ópticos. • En los dispositivos no es necesaria tampoco ninguna modificación, manteniendo su validez el método CSMA/CA usado para realizar las transmisiones uplink en el periodo de acceso con contención de la supertrama. No obstante, y de acuerdo con los resultados publicados en algunos trabajos, como [Lin09], la transmisión simultánea de señales ópticas en ambos sentidos (patrones de inactividad en sentido downlink y tramas en sentido uplink) puede dar lugar a interferencias mutuas entre las señales transmitidas. Por ello, con el fin de minimizar dichas interferencias es necesario configurar la capa PHY del coordinador y los CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 105 dispositivos con diferentes bandas de longitud de onda (Channel Numbers) para cada sentido de transmisión. La solución propuesta se ha incorporado al modelo de simulación implementado, dotando a la capa PHY del coordinador de la capacidad de seleccionar el tipo de patrones de inactividad que puede emitir, dependiendo de si recibe o no transmisiones procedentes de los dispositivos. De esta forma, con el comienzo de cada nueva trama que se recibe en la capa PHY del coordinador, éste activa la emisión de su patrón de inactividad dentro de banda, el cual es detectado por los dispositivos cuando invocan la función CCA para comprobar el estado del canal. Al finalizar la recepción de las tramas, la capa PHY del coordinador pasa a emitir su patrón de inactividad fuera de banda, con lo que los dispositivos detectan el canal disponible para transmitir. 6.2.2 Condiciones y resultados de simulación Para comprobar la efectividad de la solución propuesta con el modelo de simulación implementado se han realizado simulaciones para los cuatro escenarios diseñados (de 4, 8, 12 y 16 dispositivos), empleando el modelo de canal LOS directivo y manteniendo las condiciones de simulación utilizadas en el apartado 5.2.1 para evaluar las prestaciones de la red cuando hay nodos ocultos. Los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas con la solución propuesta son idénticos a los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas sin nodos ocultos (presentados en el apartado 5.1.8), para los cuatro escenarios y la práctica totalidad de los valores de carga simulados. Como confirmación de dichos resultados, a continuación se muestran las gráficas con los valores del goodput y la tasa de pérdida de paquetes obtenidos con la solución propuesta. Los resultados para las restantes métricas analizadas son también los mismos que los obtenidos de las simulaciones realizadas sin nodos ocultos. CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 106 Goodput y tasa de pérdida de paquetes En la figura 6.2 se representan los valores de goodput obtenidos para los cuatro escenarios en función de la carga total ofrecida sobre la red. Como ya se ha indicado, coinciden con los valores de goodput obtenidos de las simulaciones realizadas sin nodos ocultos. 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Goodput 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 6.2 - Resultados de goodput obtenidos con la solución propuesta. En la figura 6.3 se representan los valores de tasa de pérdida de paquetes obtenidos en función de la carga ofrecida sobre la red. Los valores coinciden con los obtenidos de las simulaciones realizadas sin nodos ocultos. CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 107 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Tasa de pérdida de paquetes 4 dispositivos 8 dispositivos 12 dispositivos 16 dispositivos Figura 6.3 – Resultados de tasa de pérdida de paquetes obtenidos con la solución propuesta. Los resultados de goodput y tasa de pérdida de paquetes presentados en las figuras 6.2 y 6.3 han sido obtenidos descartando la posibilidad de que en el coordinador se experimente un retardo en el tiempo necesario para cambiar entre uno y otro tipo de patrones de inactividad. Es decir, en las simulaciones realizadas, tan pronto como comienza a recibirse una trama en la capa PHY del coordinador, se activa la emisión del patrón de inactividad dentro de banda, y tan pronto como termina la recepción, se activa la emisión del patrón de inactividad fuera de banda. Los únicos retardos que afectan a los patrones de inactividad que son recibidos por los dispositivos se deben a los tiempos de propagación de la señal óptica en el recinto simulado. El estándar IEEE 802.15.7 no establece especificaciones relativas a los tiempos que puedan ser necesarios para la activación y desactivación de los patrones de inactividad, ni tampoco para los tiempos que puedan requerirse para cambiar el tipo de patrón de inactividad. No obstante, se consideró de interés realizar simulaciones para estudiar los efectos que sobre las prestaciones de la red puede tener un retardo de CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 108 tiempo introducido entre el comienzo/terminación de la recepción de tramas y el cambio del tipo de patrón de inactividad en el coordinador. En la figura 6.4 se muestra la comparación de los valores obtenidos para el goodput en los escenarios con 4 y 16 dispositivos, para el caso en que no hay retardo al cambiar el tipo de patrón de inactividad - caso (1) - y en el que hay un retardo añadido equivalente a 8 ciclos de reloj - caso (2). El retardo de 8 ciclos de reloj (2,13·10-6 seg.) se ha escogido por ser igual al valor de tiempo configurado para que el transceptor óptico pase del estado de recepción al de transmisión (aTurnaroundTime-RX-TX). 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0% 25% 50% 75% 100% 125% 150% 175% 200% Carga total sobre la red Goodput 4 dispositivos (1) 16 dispositivos (1) 4 dispositivos (2) 16 dispositivos (2) Figura 6.4 - Valores de goodput obtenidos con la solución propuesta sin retardo añadido (1) y con retardo añadido (2) al cambiar el tipo de patrón de inactividad. En la figura se observa una ligera disminución de los valores de goodput obtenidos cuando hay retardo añadido, en comparación con los valores obtenidos sin retardo. Se observa también que las diferencias entre dichos valores de goodput tienden a aumentar con la carga, pero se mantienen en todos los casos debajo del 2%. CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 109 La degradación en las prestaciones de la red con el retardo obedece al desfase añadido entre los tiempos de comienzo/fin de las transmisiones de los dispositivos y los correspondientes tiempos de generación de los patrones dentro/fuera de banda en el coordinador. Este desfase puede traducirse en dos efectos principales: 1. Pueden producirse colisiones adicionales, por detectarse el canal como disponible cuando acaba de comenzar una transmisión, y los dispositivos continúan recibiendo el patrón de inactividad fuera de banda. 2. Puede detectarse el canal ocupado si ya no lo está, cuando acaba de finalizar una transmisión, y los dispositivos continúan recibiendo el patrón de inactividad dentro de banda. En cualquier caso, y a pesar de los posibles efectos adversos introducidos por los retardos que pudieran existir entre los tiempos de comienzo/terminación de recepción de las tramas y el cambio del tipo de patrón de inactividad, los resultados presentados demuestran el alto grado de efectividad de la solución propuesta para resolver el problema del nodo oculto en las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.7. La solución propuesta cuenta con la ventaja adicional de ser también efectiva en redes IEEE 802.15.7 con configuraciones de enlace que no estén basadas en la configuración de canal LOS directivo. CAPÍTULO 6. PROPUESTA DE SOLUCIÓN AL PROBLEMA DEL NODO OCULTO 110 CAPÍTULO 7.CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 111 7. Conclusiones y líneas futuras En este capítulo se presentan las principales conclusiones de este trabajo de investigación y las líneas futuras de trabajo a seguir. 7.1 Conclusiones Desde su publicación en 2011, el estándar IEEE 802.15.7 se viene postulando como una de las iniciativas más importantes para normalizar e implantar el uso de las tecnologías VLC en las redes inalámbricas WPAN. Las tecnologías de comunicaciones ópticas no guiadas, además de representar una alternativa viable a los sistemas basados en radio frecuencia, son un firme candidato para satisfacer la demanda de sistemas de acceso inalámbricos con que afrontar el crecimiento del tráfico de datos que se prevé para los próximos años. La implantación de las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.7 debe afrontar varios desafíos tecnológicos, entre los cuales se encuentran las dificultades que presentan las comunicaciones realizadas en sentido uplink (desde los dispositivos hacia el coordinador). Entre dichas dificultades hay que destacar las limitaciones que el consumo eléctrico de los diodos LED impone en la potencia de transmisión de los dispositivos móviles, las molestias producidas a los usuarios por las señales luminosas emitidas por los dispositivos, y las limitaciones en la movilidad causadas por la necesidad de mantener una adecuada orientación en los dispositivos. Adicionalmente, las comunicaciones uplink realizadas mediante el método CSMA/CA en el estándar IEEE 802.15.7 se ven afectadas por el problema del nodo CAPÍTULO 7.CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 112 oculto, problema cuyos efectos han sido objeto de estudio en este trabajo de investigación. En esta tesis se han evaluado los efectos de dicho problema mediante simulación, modelándose una red con topología en estrella y configuración de canal LOS directivo. Bajo estas condiciones, se comprobó que en la totalidad de los escenarios modelados todos los dispositivos de la red son nodos ocultos, al no ser ninguno capaz de detectar las transmisiones de los demás. Los resultados obtenidos de las simulaciones muestran que los efectos del problema del nodo oculto producen una degradación importante en las prestaciones de la red, degradación que se demuestra con los valores obtenidos de las métricas analizadas (goodput, tasa de pérdida de paquetes, colisiones, consumo de energía, etc.). La magnitud de la degradación producida en la red como efecto de los nodos ocultos puede depender de las características específicas de los transmisores y receptores ópticos empleados en los dispositivos. A modo de ejemplo, el uso de transmisores y receptores menos directivos podría reducir en parte los efectos del problema del nodo oculto en redes que utilicen una configuración de enlace difuso. En cualquier caso, las limitaciones en el alcance de la señal óptica - a causa de las restricciones en las potencias de transmisión de los dispositivos – exigen que no puedan ignorarse los efectos del problema del nodo oculto, independientemente de la configuración de enlace utilizada en la red. En conclusión, el problema del nodo oculto ha de ser incluido como una de las dificultades a resolver en las comunicaciones uplink realizadas mediante el método CSMA/CA en las redes IEEE 802.15.7. Por ello, como parte de este trabajo de investigación se ha elaborado una propuesta de solución al problema, que presenta la ventaja de no requerir modificaciones en las especificaciones que el estándar fija para las características de las capas PHY y MAC de los dispositivos y el coordinador. La solución propuesta en esta tesis se basa en el uso de los patrones de inactividad que deben ser enviados por el coordinador, durante los intervalos de tiempo en que está recibiendo o no tiene actividad, según especifica el estándar. Mediante la selección adecuada del tipo de patrón de inactividad - dentro o fuera de banda - el coordinador puede señalizar si recibe o no transmisiones procedentes de los dispositivos de la red. De esta forma, se garantiza que todas las transmisiones realizadas son CAPÍTULO 7.CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS 113 detectadas por la totalidad de los dispositivos, descartándose la posible aparición de nodos ocultos en la red. Los resultados obtenidos de las simulaciones realizadas con la solución propuesta han permitido demostrar su alto grado de efectividad, al obtenerse con la misma valores de prestaciones prácticamente iguales a los obtenidos cuando no hay nodos ocultos en la red, lo que permite demostrar la validez de la solución adoptada. 7.2 Líneas futuras de investigación A continuación se proponen algunas de las líneas de investigación que pueden ser desarrolladas como continuación del trabajo realizado en esta tesis: • Modelar otras configuraciones de enlace óptico empleadas en las redes VLC, como la configuración de enlace LOS no directivo y la configuración de enlace difuso (non-LOS). Para ello, será necesario implementar un modelo de canal que contemple las reflexiones sufridas por la señal óptica en el recinto, y que permita calcular la distorsión producida en la señal a causa de la multipropagación. • Incorporar la presencia de obstáculos en el recinto simulado, modelando sus efectos en la propagación de la señal óptica en función de la configuración de enlace óptico empleado. • Estudiar e implementar un modelo de cálculo que permita evaluar la tasa de error de bit a partir de la señal óptica recibida, considerando factores como la configuración del enlace utilizada, las formas de modulación y codificación de línea empleadas (según el estándar IEEE 802.15.7) y el valor de la relación señal a ruido. • Evaluar las prestaciones de la red en escenarios que incorporen nuevas opciones para la caracterización del tráfico de datos. Por ejemplo, mediante la realización de transmisiones bidireccionales de datos en sentido uplink y downlink, o haciendo uso de los periodos de acceso con contención y sin contención de la supertrama. Integrar la arquitectura TCP/IP en el modelo de simulación, con el fin de analizar el rendimiento de la red con distintos tipos de tráfico y distintos tipos de aplicaciones. BIBLIOGRAFÍA __________________________________________________________________________________________________________ 120 [Karunatilaka15] D. Karunatilaka, F. Zafar, V. Kalavally, R. Parthiban; “LED Based Indoor Visible Light Communications: State of the Art”; IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol.17, Issue 3, pp. 1649 – 1678, 2015. [Khurana99] S. Khurana, A. Kahol, S. Gupta, P. 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