The growing development of Internet of Things (Internet of Things) applications and machine-to-machine (M2M) communications has extended throughout the world, including remote areas as well as extreme and unpredictable mobility applications. This fact motivates the use of satellite technology as an alternative to connectivity for the growing number of devices destined to the IoT around the globe. The existing solutions for this service (e.g., Argos) may not o er a scalable solution to the expected number of devices to be connected in the near future. This promotes the consideration of MAC protocols development for the satellite environment. In addition, given the current interest and relevance of low-cost solutions for space technology with cubesats, simple, low processing and low storage demands protocols are prioritized. This document reviews and exposes the performance of the main protocols considered for satellite IoT.
La llegada de las comunicacciones de quinta generacion en conjunto con el nuevo paradigma del Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en ingles), traen consigo la creacion de un sinf n de aplicaciones y el inmenso incremento en la cantidad de dispositivos conectados a la red de Internet. Muchas de estas aplicaciones se dan en ambientes remotos, sin posibilidad Copyright c by the paper's authors. Copying permitted for private and academic purposes. de conectar con redes convencionales, o en algunos casos, por la naturaleza movil de la aplicacion, resulta di cultoso realizar algun tipo de conexion. Respecto a esto ultimo, adquiere relevancia y protagonismo la tecnolog a satelital, en espec co el desarrollo de constelaciones satelitales, capaces de dar conectividad al 100% de la super cie terrestre.
Esta tecnolog a no es algo nuevo, varios sistemas satelitales ya han sido desplegados y estan operativos. Las aplicaciones de estos son principalmente el servicio de voz, servicio de banda ancha y monitoreo remoto [Woo03]. En servicio de voz destacan las constelaciones de Iridium [Leo92], Globalstar [WV93], entre otras. Sin embargo este servicio se vio opacado por el auge de las redes GSM y la gran cobertura de las redes celulares. Para servicio de banda ancha destaca Teledesic [Woo03], ademas de futuros proyectos, tales como el de la empresa SpaceX, con la intencion de formar una constelacion de 4:000 satelites (proyecto ya aprobado por la FCC-Federal Communications Commission [18]). En cuanto a monitoreo remoto, en 1978 nace Argos [Cla89], sistema consistente en una constelacion de satelites monitoreando sensores terrestres dispuestos a lo largo de todo el globo.
Dado el panorama actual en cuanto a desarrollo de nanosatelites y cubesats, resalta el bajo costo de implementacion y el facil acceso a la tecnolog a [PTA01]. Esto motiva el despliegue de aplicaciones cient cas y comerciales a un menor costo que los despliegues que usan los sistemas satelitales tradicionales antes descritos.
Pensando en una red satelital de bajo costo orientada a proveer servicio de acceso a dispositivos de IoT para monitoreo remoto, considerando en ello los recursos limitados del nanosatelite y el caracter masivo de las aplicaciones t picas de IoT, se preve la di cultad de coordinar el acceso a los canales, o el unico canal en muchos casos, que sera otorgado a los nodos terminales bajo la huella del satelite, huella cuyo radio se extiende hasta el orden de cientos de kilometros, donde se pueden localizar desde cientos hasta miles de nodos. La Fig. 1 ilustra un escenario esperado de IoT satelital, con cobertura del satelite en un area de nida por un radio de 600[km] aproximadamente y 600 nodos terminales (i.e., estaciones terrenas) bajo la huella del satelite.
La necesidad de un acceso coordinado hacia el satelite motiva el estudio de protocolos de Control de Acceso al Medio (MAC por sus siglas en ingles), encargados de regular y coordinar el acceso al canal de comunicaciones de todos los actores de la red, con el n de impedir la perdida de informacion, minimizando los tiempos ociosos y haciendo uso del canal de la manera mas e ciente posible.
En este art culo se hace una revision de protocolos MAC desarrollados para entornos satelitales, y se evalua de forma cuantitativa y cualitativa su pertinencia para ser utilizados en el nuevo contexto de IoT satelital.
Muchos son los protocolos MAC que han sido desarrollados para distintas aplicaciones. A grandes rasgos, estos se pueden clasi car principalmente en 5 categor as [Pey99]: asignacion ja, asignacion por demanda, acceso aleatorio, mecanismo adaptativo y asignacion por reserva.
En cuanto a las constelaciones satelitales mencionadas, las destinadas a servicios de voz y banda ancha utilizan principalmente protocolos de asignacion ja, tales como TDMA, FDMA, CDMA. Argos, en cambio, utiliza una adaptacion de Aloha [RS12], uno de los protocolos mas representativo de la categor a de acceso aleatorio.
Pensando en el servicio de IoT, en este trabajo se descartan los protocolos de asignacion ja debido a su rigidez en cuanto a la cantidad variable y masiva de terminales considerada en el escenario de estudio. Mas aun, en cualquier caso, ya sea un protocolo de reserva, demanda o adaptativo, requerira en algun nivel, mecanismos aleatorios, ya sea para realizar la reserva del canal, o bien para solicitar recursos. Por esto, se enfatiza el estudio en protocolos acceso aleatorio.
En ambientes satelitales, los protocolos MAC de acceso aleatorio o similar que destacan son:
Aloha [RS12][HL10]: Cada nodo env a datos cuando tiene datos para enviar, esperando que no se genere una colision en la recepcion. Cuando el receptor recibe correctamente el mensaje env a un ACK (acknowledgement ), de lo contrario, el nodo reenviara el mismo mensaje al cabo de un tiempo constante o aleatorio. Su principal ventaja consiste en su simpleza y facil implementacion, pues el nodo receptor solo debe enviar el ACK. Como fue mencionado, Argos utiliza este mecanismo. Sus desventajas radican principalmente en que el rendimiento, en cuanto a utilizacion del canal, cae drasticamente para cargas altas del canal. En [HL10] se propone Enhanced Aloha, el cual realiza mejoras a este protocolo, con el n de mejorar el rendimiento para un numero mayor de terminales.
CRDSA [CDD07]: Protocolo muy parecido a Diversity Slotted Aloha [CR83] (Aloha con canal discretizado y numero limitado de dos restransmisiones), con la gran diferencia de que resuelve sucesivamente las interferencias entre paquetes, a traves del algoritmo SIC-Successive Interference Cancelation. Permite mayores sobrecargas del canal con buen rendimiento. Su principal desventaja es que su implementacion demanda alto procesamiento y almacenamiento, ademas de requerir buenas condiciones de canal. Tiene versiones mas avanzadas como CRDSA++, MuSCA [DS16], MC-PCA-CA [Won+18], las cuales logran mejoras en rendimiento. Estos protocolos se utilizan principalmente en sistemas geoestacionarios para el registro de terminales al sistema y la inicial demanda de recursos. Para la posterior comparacion se considerara CDRSA y MuSCA.
FC-TDMA: Propuesto en [LZG16], es un protocolo adaptativo, que combina Slotted Aloha y TDMA. Inicialmente el acceso es aleatorio y progresivamente se tienden a repartir intervalos de tiempo entre el numero arbitrario de nodos, en el mejor de los casos, se alcanza a repartir e cientemente el canal y el protocolo se comporta como TDMA. Se desarrolla con el n de ser aplicado a un sistema similar al escenario de este estudio, consistente en monitoreo de boyas marinas a traves de un satelite. Este protocolo tiene resultados simulados satisfactorios, variando su utilizacion de canal entre 36.7% en los peores casos (maximo de Slotted Aloha) y alcanzando 100% (maximo para TDMA) bajo circunstancias espec cas.
CSMA/CA [BFO96]: En [CW07] se evalua el rendimiento de este protocolo, usado ampliamente en comunicaciones inalambricas, esta vez adaptado para aplicacion satelital. Basicamente, consiste en que todos los nodos realizan una disputa por el acceso antes de enviar sus datos, esta disputa se lleva a cabo mediante la espera de un tiempo aleatorio complementado con el constante monitoreo de la ocupacion del canal. 3
Como fue mencionado, el servicio de IoT satelital considera una cantidad masiva de terminales terrestres, que pueden corresponder a nodos sensores o actuadores, por lo que en esta seccion se revisa el rendimiento de los protocolos para distintas cargas. Para esto, principalmente nos enfocamos en dos metricas: Carga ofrecida normalizada y Rendimiento normalizado.
Carga ofrecida normalizada (C): Es el cociente entre el total de datos inyectados a la red y el maximo de datos que se podr an enviar en el mismo tiempo considerando la capacidad del canal. La carga ofrecida normalizada esta calculada de acuerdo a la siguiente formula:
C =
P Di Tx t ; donde Di son los datos a enviar por el nodo i durante el tiempo t arbitario, Tx es la capacidad del canal.
Rendimiento normalizado (S): Es el cociente entre el total de datos recibidos por el satelite en un tiempo dado y el total de datos que se podr an enviar durante el mismo tiempo considerando la capacidad del canal. Se puede interpretar como cuan efectivo es el uso del canal. Siempre se cumple que S C. El rendimiento normalizado se calcula de acuerdo a la siguiente ecuacion
S =
Dr ;
Tx t donde Dr son los datos recibidos por el satelite, Tx es la capacidad del canal y t es un tiempo arbitrario. Segun estas metricas se evaluan los protocolos descritos en la seccion 2.
Con el n de comparar los protocolos bajo las mismas condiciones, se de ne un escenario generico que corresponde a tra co t pico de IoT que es recolectado por nodos sensores y enviados a traves de terminales terrenas hacia un cubesat.
Considerando un despliegue con cubesats de altura de aprox. 600[km], con un unico canal con capacidad de 10[kbps], se asume que el satelite establece conexion en un diametro de 1200[km] en tierra (este valor depende de la apertura de la antena) y que puede ver un mismo punto en la tierra durante 120[s] (valor que queda de nido por la velocidad de satelite y en consecuencia, por su altura). Luego, asumiendo que cada terminal desea enviar al satelite una cantidad de datos de taman~o 250[B] y considerando que son 600 terminales, se tendr a una carga normalizada igual a: (1) (2)
C = 106[k0b0p2s5]01[2B0][s] = 1. Si se exige que el 90% de los terminales logre enviar los datos, se tendr a un Rendimiento normalizado de S = 0:9 C = 0:9.
Este escenario sirve como referencia para visualizar las capacidades de cada protocolo, y tomando las asunciones como cercanas a la realidad, se puede analizar la pertinencia de los protocolos descritos para escenarios esperados de IoT. 3.1
Discusion de resultados Tomando como referencia el escenario de IoT descrito, se discuten los resultados expuestos en la Tabla 1, obtenidos para los protocolos MAC mas relevantes de acceso aleatorio para IoT satelital; Enhanced Aloha [HL10], CRDSA [CDD07], FC-TDMA [LZG16] y CSMA/CA [CW07].
En la tabla se muestran los mejores rendimientos alcanzados por cada protocolo para la cantidad maxima de nodos segun los casos de estudio. Luego, el balance para cada caso es el siguiente:
Aloha CRDSA MuSCA FC-TDMA CSMA/CA S 0.51 0.55 1.4 1 0.6 C 0.57 0.6 1.4 1 1
115 able. Bajo esta condicion el rendimiento del protocolo decae drasticamente. 4
Del analisis previo se desprende que de los protocolos desarrollados actualmente para entornos satelitales no hay alguno que sea simple, masivo y aplicable a la dinamica del escenario.
A futuro se podr an considerar dentro de la evaluacion a protocolos MAC desarrollados para entornos distintos al satelital y evaluar posibles adaptaciones que les permitan ser aplicados con buen desempen~o en este entorno para IoT. Para esto se podr an considerar redes con caracter sticas similares: en donde los recursos compartidos entre transmisores y receptores sean limitados, se vele por la e ciencia energetica y la simpleza en la implementacion. Un ejemplo de redes que se ajustan a estas caracter sticas son las redes inalambricas de sensores (WSN-Wireless Sensor Networks). [CR83]
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