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|authors=Tomás Ferrer,Sandra Céspedes,Alex Becerra
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==Evaluation of MAC Protocols for IoT Satellite Systems==
https://ceur-ws.org/Vol-2178/SSN2018_paper_18.pdf
Evaluation of MAC protocols for IoT satellite systems
Tomás Ferrer1 , Sandra Céspedes1 , and Alex Becerra2
1
Dep. of Electrical Engineering, Universidad de Chile, Santiago, Chile,
2
Aurora Space ,
abecerra@auroraspace.cl,(tferrer,scespedes)@ing.uchile.cl
de conectar con redes convencionales, o en algunos ca-
sos, por la naturaleza móvil de la aplicación, resulta
Abstract dificultoso realizar algún tipo de conexión. Respecto
a esto último, adquiere relevancia y protagonismo la
The growing development of Internet of tecnologı́a satelital, en especı́fico el desarrollo de con-
Things (Internet of Things) applications and stelaciones satelitales, capaces de dar conectividad al
machine-to-machine (M2M) communications 100% de la superficie terrestre.
has extended throughout the world, includ-
Esta tecnologı́a no es algo nuevo, varios sistemas
ing remote areas as well as extreme and un-
satelitales ya han sido desplegados y están operativos.
predictable mobility applications. This fact
Las aplicaciones de estos son principalmente el servicio
motivates the use of satellite technology as
de voz, servicio de banda ancha y monitoreo remoto
an alternative to connectivity for the growing
[Woo03]. En servicio de voz destacan las constela-
number of devices destined to the IoT around
ciones de Iridium [Leo92], Globalstar [WV93], entre
the globe. The existing solutions for this ser-
otras. Sin embargo este servicio se vió opacado por
vice (e.g., Argos) may not offer a scalable so-
el auge de las redes GSM y la gran cobertura de las
lution to the expected number of devices to
redes celulares. Para servicio de banda ancha destaca
be connected in the near future. This pro-
Teledesic [Woo03], además de futuros proyectos, tales
motes the consideration of MAC protocols de-
como el de la empresa SpaceX, con la intención de for-
velopment for the satellite environment. In
mar una constelación de 4.000 satélites (proyecto ya
addition, given the current interest and rele-
aprobado por la FCC-Federal Communications Com-
vance of low-cost solutions for space technol-
mission [18]). En cuanto a monitoreo remoto, en 1978
ogy with cubesats, simple, low processing and
nace Argos [Cla89], sistema consistente en una con-
low storage demands protocols are prioritized.
stelación de satélites monitoreando sensores terrestres
This document reviews and exposes the per-
dispuestos a lo largo de todo el globo.
formance of the main protocols considered for
satellite IoT. Dado el panorama actual en cuanto a desarrollo de
nanosatélites y cubesats, resalta el bajo costo de im-
1 INTRODUCCIÓN plementación y el fácil acceso a la tecnologı́a [PTA01].
Esto motiva el despliegue de aplicaciones cientı́ficas
La llegada de las comunicacciones de quinta generación y comerciales a un menor costo que los despliegues
en conjunto con el nuevo paradigma del Internet de que usan los sistemas satelitales tradicionales antes de-
las Cosas (IoT por sus siglas en inglés), traen con- scritos.
sigo la creación de un sinfı́n de aplicaciones y el in- Pensando en una red satelital de bajo costo orien-
menso incremento en la cantidad de dispositivos conec- tada a proveer servicio de acceso a dispositivos de IoT
tados a la red de Internet. Muchas de estas aplica- para monitoreo remoto, considerando en ello los recur-
ciones se dan en ambientes remotos, sin posibilidad sos limitados del nanosatélite y el caracter masivo de
las aplicaciones tı́picas de IoT, se prevé la dificultad
Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for
private and academic purposes. de coordinar el acceso a los canales, o el único canal
In: Proceedings of the IV School of Systems and Networks
en muchos casos, que será otorgado a los nodos ter-
(SSN 2018), Valdivia, Chile, October 29-31, 2018. Published minales bajo la huella del satélite, huella cuyo radio
at http://ceur-ws.org se extiende hasta el orden de cientos de kilómetros,
donde se pueden localizar desde cientos hasta miles de reserva, demanda o adaptativo, requerirá en algún
nodos. La Fig. 1 ilustra un escenario esperado de IoT nivel, mecanismos aleatorios, ya sea para realizar la
satelital, con cobertura del satélite en un área definida reserva del canal, o bien para solicitar recursos. Por
por un radio de 600[km] aproximadamente y 600 no- esto, se enfatiza el estudio en protocolos acceso aleato-
dos terminales (i.e., estaciones terrenas) bajo la huella rio.
del satélite. En ambientes satelitales, los protocolos MAC de ac-
La necesidad de un acceso coordinado hacia el ceso aleatorio o similar que destacan son:
satélite motiva el estudio de protocolos de Control de Aloha [RS12][HL10]: Cada nodo envı́a datos
Acceso al Medio (MAC por sus siglas en ingles), en- cuando tiene datos para enviar, esperando que no se
cargados de regular y coordinar el acceso al canal de genere una colisión en la recepción. Cuando el re-
comunicaciones de todos los actores de la red, con el fin ceptor recibe correctamente el mensaje envı́a un ACK
de impedir la pérdida de información, minimizando los (acknowledgement), de lo contrario, el nodo reenviará
tiempos ociosos y haciendo uso del canal de la manera el mismo mensaje al cabo de un tiempo constante o
más eficiente posible. aleatorio. Su principal ventaja consiste en su sim-
En este artı́culo se hace una revisión de protoco- pleza y fácil implementación, pues el nodo receptor
los MAC desarrollados para entornos satelitales, y se solo debe enviar el ACK. Como fue mencionado, Ar-
evalúa de forma cuantitativa y cualitativa su pertinen- gos utiliza este mecanismo. Sus desventajas radican
cia para ser utilizados en el nuevo contexto de IoT principalmente en que el rendimiento, en cuanto a uti-
satelital. lización del canal, cae drásticamente para cargas al-
tas del canal. En [HL10] se propone Enhanced Aloha,
el cual realiza mejoras a este protocolo, con el fin de
mejorar el rendimiento para un número mayor de ter-
minales.
CRDSA [CDD07]: Protocolo muy parecido a Di-
versity Slotted Aloha [CR83] (Aloha con canal dis-
cretizado y numero limitado de dos restransmisiones),
con la gran diferencia de que resuelve sucesivamente las
interferencias entre paquetes, a través del algoritmo
SIC-Successive Interference Cancelation. Permite
mayores sobrecargas del canal con buen rendimiento.
Su principal desventaja es que su implementación de-
manda alto procesamiento y almacenamiento, además
de requerir buenas condiciones de canal. Tiene
versiones más avanzadas como CRDSA++, MuSCA
Figure 1: Huella de visión de satélite en tierra y nodos [DS16], MC-PCA-CA [Won+18], las cuales logran
visibles en un instante. mejoras en rendimiento. Estos protocolos se utilizan
principalmente en sistemas geoestacionarios para el
registro de terminales al sistema y la inicial demanda
2 REVISIÓN DE PROTOCOLOS de recursos. Para la posterior comparación se consid-
Muchos son los protocolos MAC que han sido desarrol- erará CDRSA y MuSCA.
lados para distintas aplicaciones. A grandes rasgos, es- FC-TDMA: Propuesto en [LZG16], es un proto-
tos se pueden clasificar principalmente en 5 categorı́as colo adaptativo, que combina Slotted Aloha y TDMA.
[Pey99]: asignación fija, asignación por demanda, ac- Inicialmente el acceso es aleatorio y progresivamente se
ceso aleatorio, mecanismo adaptativo y asignación por tienden a repartir intervalos de tiempo entre el número
reserva. arbitrario de nodos, en el mejor de los casos, se al-
En cuanto a las constelaciones satelitales men- canza a repartir eficientemente el canal y el protocolo
cionadas, las destinadas a servicios de voz y banda an- se comporta como TDMA. Se desarrolla con el fin de
cha utilizan principalmente protocolos de asignación ser aplicado a un sistema similar al escenario de este
fija, tales como TDMA, FDMA, CDMA. Argos, en estudio, consistente en monitoreo de boyas marinas
cambio, utiliza una adaptación de Aloha [RS12], uno a través de un satélite. Este protocolo tiene resulta-
de los protocolos más representativo de la categorı́a de dos simulados satisfactorios, variando su utilización de
acceso aleatorio. canal entre 36.7% en los peores casos (máximo de Slot-
Pensando en el servicio de IoT, en este trabajo se ted Aloha) y alcanzando 100% (máximo para TDMA)
descartan los protocolos de asignación fija debido a bajo circunstancias especı́ficas.
su rigidez en cuanto a la cantidad variable y masiva CSMA/CA [BFO96]: En [CW07] se evalúa el
de terminales considerada en el escenario de estudio. rendimiento de este protocolo, usado ampliamente en
Más aún, en cualquier caso, ya sea un protocolo de comunicaciones inalámbricas, esta vez adaptado para
600·250[B]
aplicación satelital. Básicamente, consiste en que to- C = 10[kbps]·120[s] = 1. Si se exige que el 90% de
dos los nodos realizan una disputa por el acceso antes los terminales logre enviar los datos, se tendrı́a un
de enviar sus datos, esta disputa se lleva a cabo medi- Rendimiento normalizado de S = 0.9 · C = 0.9.
ante la espera de un tiempo aleatorio complementado Este escenario sirve como referencia para visualizar
con el constante monitoreo de la ocupación del canal. las capacidades de cada protocolo, y tomando las asun-
ciones como cercanas a la realidad, se puede analizar la
3 Evaluación Comparativa pertinencia de los protocolos descritos para escenarios
esperados de IoT.
Como fue mencionado, el servicio de IoT satelital
considera una cantidad masiva de terminales ter-
3.1 Discusión de resultados
restres, que pueden corresponder a nodos sensores
o actuadores, por lo que en esta sección se revisa Tomando como referencia el escenario de IoT de-
el rendimiento de los protocolos para distintas car- scrito, se discuten los resultados expuestos en la
gas. Para esto, principalmente nos enfocamos en dos Tabla 1, obtenidos para los protocolos MAC más rele-
métricas: Carga ofrecida normalizada y Rendimiento vantes de acceso aleatorio para IoT satelital; Enhanced
normalizado. Aloha [HL10], CRDSA [CDD07], FC-TDMA [LZG16]
Carga ofrecida normalizada (C): Es el cociente y CSMA/CA [CW07].
entre el total de datos inyectados a la red y el máximo En la tabla se muestran los mejores rendimientos al-
de datos que se podrı́an enviar en el mismo tiempo canzados por cada protocolo para la cantidad máxima
considerando la capacidad del canal. La carga ofrecida de nodos según los casos de estudio. Luego, el balance
normalizada está calculada de acuerdo a la siguiente para cada caso es el siguiente:
fórmula: P
Di Protocolos S C Nodos
C= , (1)
Tx · t
Enhanced 0.51 0.57 115
donde Di son los datos a enviar por el nodo i durante Aloha
el tiempo t arbitario, Tx es la capacidad del canal. CRDSA 0.55 0.6 100
Rendimiento normalizado (S): Es el cociente MuSCA 1.4 1.4 700
entre el total de datos recibidos por el satélite en un FC-TDMA 1 1 50
tiempo dado y el total de datos que se podrı́an enviar CSMA/CA 0.6 1 50
durante el mismo tiempo considerando la capacidad
del canal. Se puede interpretar como cuán efectivo Table 1: Comparación de protocolos MAC. S:
es el uso del canal. Siempre se cumple que S ≤ C. Rendimiento normalizado, C: Carga normalizada
El rendimiento normalizado se calcula de acuerdo a la
siguiente ecuación Enhanced Aloha: Ventajas: Fácil imple-
mentación.
Dr Desventajas: Su rendimiento es insuficiente re-
S= , (2) specto al escenario de ejemplo.
Tx · t
CRDSA/MuSCA: Ventajas: Extraordinario de-
donde Dr son los datos recibidos por el satélite, Tx es la sempeño para altas cargas, satisface con creces el es-
capacidad del canal y t es un tiempo arbitrario. Según cenario de ejemplo, sin embargo el número máximo de
estas métricas se evalúan los protocolos descritos en la nodos es fijo y está previamente definido por la canti-
sección 2. dad de intervalos de tiempo en los cuales se divide el
Con el fin de comparar los protocolos bajo las mis- canal.
mas condiciones, se define un escenario genérico que Desventajas: El nivel de procesamiento es excesivo
corresponde a tráfico tı́pico de IoT que es recolectado para un cubesat, además, las condiciones de canal que
por nodos sensores y enviados a través de terminales se tienen que dar para realizar la cancelación de inter-
terrenas hacia un cubesat. ferencia son desproporcionadas para un enlace satelital
Considerando un despliegue con cubesats de altura de orbita baja.
de aprox. 600[km], con un único canal con capaci- FC-TDMA: Ventajas: Buen desempeño, sufi-
dad de 10[kbps], se asume que el satélite establece ciente para el escenario ejemplo, aunque hace falta
conexión en un diámetro de 1200[km] en tierra (este evaluación para una mayor cantidad de nodos.
valor depende de la apertura de la antena) y que puede Desventajas: La evaluación no considera el retardo
ver un mismo punto en la tierra durante 120[s] (valor en la adaptación del esquema de control de acceso.
que queda definido por la velocidad de satélite y en Además, en la literatura no se provee el algoritmo es-
consecuencia, por su altura). Luego, asumiendo que encial para la implementación del protocolo.
cada terminal desea enviar al satélite una cantidad de CSMA-CA: Ventajas: Buen rendimiento.
datos de tamaño 250[B] y considerando que son 600 Desventajas: Por razones propias del entorno
terminales, se tendrı́a una carga normalizada igual a: satelital, la cantidad de nodos escondidos es consider-
able. Bajo esta condición el rendimiento del protocolo [PTA01] Jordi Puig-Suari, Clark Turner, and
decae drásticamente. William Ahlgren. “Development of the
standard CubeSat deployer and a Cube-
4 TRABAJO FUTURO Sat class PicoSatellite”. In: Aerospace
Conference, 2001, IEEE Proceedings.
Del análisis previo se desprende que de los protocolos Vol. 1. IEEE. 2001, pp. 1–347.
desarrollados actualmente para entornos satelitales no
hay alguno que sea simple, masivo y aplicable a la [Woo03] Lloyd Wood. “Satellite constellation net-
dinámica del escenario. works”. In: Internetworking and Com-
A futuro se podrı́an considerar dentro de la evalu- puting over Satellite Networks. Springer,
ación a protocolos MAC desarrollados para entornos 2003, pp. 13–34.
distintos al satelital y evaluar posibles adaptaciones [CDD07] Enrico Casini, Riccardo De Gaudenzi,
que les permitan ser aplicados con buen desempeño en and Oscar Del Rio Herrero. “Contention
este entorno para IoT. Para esto se podrı́an consid- resolution diversity slotted ALOHA
erar redes con caracterı́sticas similares: en donde los (CRDSA): An enhanced random ac-
recursos compartidos entre transmisores y receptores cess scheme for satellite access packet
sean limitados, se vele por la eficiencia energética y networks”. In: IEEE Transactions on
la simpleza en la implementación. Un ejemplo de re- Wireless Communications 6.4 (2007),
des que se ajustan a estas caracterı́sticas son las redes pp. 1408–1419. issn: 15361276. doi:
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