Seminario 4 (2014)

Resumen Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería Telemática - 3º curso
Asignatura MXS
Profesor C.G.
Año del apunte 2014
Páginas 4
Fecha de subida 28/03/2015
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Resumen de los seminarios de MXS en Castellano.

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David Sesto Castilla Resumen Seminario 4 Seminario 4 A SURVEY OF GREEN MOBILE NETWORKS: OPPORTUNITIES AND CHALLENGES RESUMEN El rápido crecimiento de la tecnología de la información y la comunicación (ICT) ha supuesto un gran aumento en la demanda energética y emisiones de CO2; mientras que los servicios de comunicaciones se centran en el servicio en sí, ignorando la eficiencia energética.
1. INTRODUCCIÓN Las actividades industriales humanas producen el doble de CO2 del que la naturaleza puede absorber [Datos concretos de %, pág. 1]. Los principales problemas de adaptar las redes existentes hacia Green Mobile Networks son: dispositivos orientados a mejorar rendimiento, no eficiencia; dispositivos no utilizados a capacidad completa, con sobredimensionado eléctrico; balance entre eficiencia energética y QoS.
2. TÉCNICAS EFICIENTES PARA REDES MÓVILES Las investigaciones en técnicas eficientes se dividen en 5 aspectos diferentes: 2.1. Data centers en backhaul [Backhaul = parte central de la red, entre backbone y subredes]. La gran demanda de almacenamiento online hace crecer mucho los data centers. Algunas investigaciones se centran en apagar funciones a nivel de software/hardware dependiendo de la carta de tráfico y la demanda, pudiéndose incluso apagar elementos concretos (enlaces, switchs…).
Las técnicas de virtualización consisten en virtualizar una máquina física con instancias múltiples de Sistemas Operativos para eliminar las limitaciones de hardware y hacer más eficiente la computación y almacenamiento. Una VM también permite transferir la carga de una máquina física a otra sin interrumpir el funcionamiento.
2.2. Macroceldas El 60% de la energía consumida por las redes celulares es para trabajar con la estación base de las macroceldas. La investigación en eficiencia energética en este ámbito se centra en: organización dinámica de BSs (dependiendo de la hora del día, de la carga de la estación base), cell zooming (adaptar el tamaño de la celda en función de la carga, condiciones del canal, Pb…) y ahorro de amplificadores de potencia (dependiendo del tipo de señal de salida se aplican distintos niveles de potencia).
2.3. Femtoceldas Una femtocelda es una estación base de pequeño tamaño y baja potencia, pensada para trabajar en lugares más o menos de pequeñas dimensiones como hogares o puestos de trabajo La investigación en el ámbito de las femtoceldas se está extendiendo gracias al rápido desarrollo de las redes LTE y WiMAX. Este tipo de celdas son atractivas para los operadores móviles puesto que suponen una mejora en la cobertura y la capacidad, a la vez que se mejora el consumo energético. De cara a los usuarios, la mejora en la calidad de la señal implica un alargamiento en la vida de las baterías.
David Sesto Castilla Resumen Seminario 4 Por tanto, la investigación sobre las femtoceldas se centra en: mejoras de cobertura con control de potencia y evitar interferencias.
En primer lugar, hay varias investigaciones que demuestran que el control de potencia es indispensable para el control de cobertura y rendimiento, pudiéndose así también utilizar para eficiencia energética.
También hay muchas otras investigaciones centradas en descubrir los posibles problemas para las femtoceldas en entornos reales de redes CDMA, WCDMA, HSDPA, WiMAX, LTE, etc. En particular, para las femtoceldas WiMAX han sido analizadas para aplicar técnicas CRRM adaptadas a los clientes, las estaciones bases y la celda en sí. De forma autónoma se ajusta la potencia, canal y recursos computacionales dependiendo del entorno de la red. Sin embargo, todo esto son simulaciones, y no es hasta que se aplica en la práctica cuando no se pueden apreciar nuevos problemas como por ejemplo la correcta sincronización o configuraciones automáticas adaptativas.
Las interferencias entre macroceldas y femtoceldas es un gran problema en las redes móviles actuales, ya que provoca un desperdicio energético innecesario. Es por ello por lo que las técnicas para evitar estas interferencias son muy importantes, y son varias las investigaciones que analizan los problemas de path loss o shadowing en estas situaciones. También se han definido algunos algoritmos que ayudan a las femtoceldas LTE a adaptarse de forma óptima al espectro para conseguir data rates altos sin perjudicar a los usuarios de las celdas tradicionales.
Por otro lado, aún siguen existiendo problemas sin resolver como el del terminal oculto.
2.4. End-hosts Los dispositivos móviles end-host han evolucionado desde simples teléfonos hasta dispositivos de gran nivel computacional y de comunicaciones. Es por ello por lo que hay toda una rama de investigadores centrados en mejorar la eficiencia energética en este ámbito mediante: energy profiling, uso de varias radios y transmisiones efectivas.
Al aplicar la técnica de energy profiling sobre los end-hosts hay que tener en cuenta su demanda energética, recursos locales, patrones de tráfico, comportamiento de los usuarios, etc. Hay estudios que calculan que el consumo energético se puede reducir en un 35% si los sleep timers se ajustan de forma óptima, por ejemplo.
Una de las técnicas comentadas, la del uso de varias radios, consiste en que hoy en día, nuestros smartphones disponen de varias radios para bluetooth, WiFi o 3G, de manera que algunos investigadores están centrando sus esfuerzos en obtener algoritmos que permitan conmutar entre el uso de una u otra interfaz dependiendo de las condiciones de cada uno de estos servicios.
La transmisión es el procedimiento que más energía consume en un end-host, por lo que se necesitan buenos esquemas de transmisión eficiente para prolongar la vida de las baterías, manteniendo unos niveles de QoS aceptables. Algunas investigaciones analizan el balance entre QoS y el retraso de la información para transmisiones de datos, creando así un algoritmo que permita enviar la información en el momento más adecuado en función de la situación del canal, manteniéndose en el margen temporal necesario. Otra investigación, el Catnap, se encarga de analizar las situaciones de cuello de botella en enlaces inalámbricos o con cables, separando las unidades de datos en segmentos que se transmitirán en ráfagas a alta velocidad en un tramo corto de tiempo, transformando los tiempos entre paquetes en periodos en que la radio se duerme. Sin embargo, este último caso implica una modificación en el Gateway (AP, estación base…) de la red.
En definitiva, la mayoría de las propuestas de end-hosts eficientes energéticamente sí que consiguen una mejora en este sentido, aunque siempre dependen de una distribución densa de redes móviles heterogéneas, o bien se centran en los retrasos particulares de ciertos servicios de red. Sin embargo, se David Sesto Castilla Resumen Seminario 4 debe tener en cuenta que tanto el QoS (Quality of Service) como el QoE (Quality of Experience) no deben verse demasiado afectados por estas técnicas, lo que sigue siendo un gran desafío.
2.5. Aplicaciones y servicios Las redes móviles deberán ser capaces de adaptarse dependiendo de las demandas de los usuarios y los enlaces inalámbricos, a la vez que ajustar parámetros para satisfacer esas demandas. Hay 3 áreas de investigación en este ámbito: diseño economizador inherente (reducir el consumo de las transmisiones multimedia en canales inalámbricos adecuando la compresión, codificación…), adaptación basada en predicción (aprendiendo un patrón histórico se pueden tomar medidas para ajustar la potencia manteniendo la experiencia del usuario).
Los servidores basados en proxy ayudarán al ahorro energético y la mejora del rendimiento, aunque estos esquemas dependen de servidores remotos que implican un mayor coste de distribución.
3. PROYECTOS VERDES Y MEDIDAS 3.1. Proyectos de Redes Móviles Verdes Los gobiernos han creado una serie de directivas para ser más eficientes reduciendo las emisiones de CO2.
3.2. Clasificación de las medidas verdes Las medidas verdes pueden clasificarse a nivel de equipamiento (perspectiva reducida, enfocada sobre cada una de las pequeñas piezas de equipamiento de una red) o a nivel de instalaciones (dispositivos y redes interconectados, en amplia perspectiva, e.g. data center). [PUE = ratio del consumo de las instalaciones de un data center / energía total suministrada a los equipos].
4. PROBLEMAS DE INVESTIGACIONES INMINENTES Aunque la tecnología orientada a las redes móviles “verdes” va a ser muy importante de ahora en adelante, son varios los problemas que van a ir apareciendo: 4.1. Técnicas de comunicaciones “verdes” – – ¿Cómo de verdes son las redes 4G? Los estándares WiMAX2 y LTE-Advanced definen las redes de cuarta generación, por lo que la eficiencia de las redes móviles dependerá básicamente de la eficiencia de estos dos estándares. Sin embargo, hoy en día, estos dos planes se centran en la eficiencia espectral y no energética, así que son varios los retos a los que las redes 4G se enfrentan:  Las redes 4G se basan en MIMO, que trabaja con un consumo energético muy elevado, todavía más en el caso de MIMO multi-usuario. A nivel MAC también debe haber un cambio para multiplexar la ganancia, reducir las cabeceras… Por ejemplo, el sistema LSAS (Large-Scale Antenna System) es una versión extendida del MIMO con cientos de antenas con un consumo muy pequeño, que parece que aporta una gran mejora en cuanto a eficiencia energética se refiere. A mayor número de antenas, menor es el consumo total.
 Cuando un end-host trabaja en los límites de una celda, las redes 4G soportan comunicaciones coordinas multi-punto para reforzar las señales débiles. Sin estas técnicas, el consumo del endhost es muy elevado.
 Los procesos de handover consumen tiempo y energía.
 Aunque algunos operadores ya han iniciado los sistemas de femtoceldas, las investigaciones en este ámbito aún son bastante prematuras, estableciéndose un compromiso entre el tamaño de la celda y la demanda de uso.
Tethering y multi-salto. Las técnicas soportadas por las redes 3G, 3G+ y 4G como el tethering (un dispositivo permite la conexión a Internet a otros) y el multi-salto mejorarán la escalabilidad y la David Sesto Castilla – – – Resumen Seminario 4 eficiencia energética de las redes móviles. El tethering consiste en que un grupo de end-hosts se comunican en modo ad-hoc, mientras que el Gateway comparte el acceso a Internet con los otros terminales.
Cognitive radio. Esta técnica permite a una red cambiar los parámetros de transmisión y recepción para trabajar en varios espectros RF dinámicamente evitando así interferencias con otros usuarios.
Sin embargo, esta técnica se soporta sobre el monitorizado activo de las condiciones de los enlaces de radio. Además, no existen implementaciones prácticas de este sistema.
Redes de sensores móviles “verdes”. La integración de redes de sensores supone un problema a nivel de alimentación de todos estos dispositivos. Sin embargo, estos dispositivos también se pueden usar para monitorizar la eficiencia energética de la industria ICT.
Comunicación móvil M2M y Cyber-Physical System (CPS). Las comunicaciones M2M (Machine-toMachine) permite la interconexión inteligente de dispositivos, aunque hace falta desarrollar nuevas técnicas para hacer sostenible el mantenimiento de estos dispositivos, de las comunicaciones peerto-peer, etc. El concepto de CPS se encarga de coordinar los elementos físicos y computacionales de un sistema M2M, controlar los procesos… Para estos sistemas, la eficiencia energética será clave debido a la limitación en el suministro de potencia a los cyber sensores y los actuadores. En las futuras investigaciones sobre CPSs, lo primordial será encontrar el equilibrio entre rendimiento, seguridad y eficiencia.
4.2. Técnicas de servicio verdes La nube va a permitir mejorar en gran nivel la eficiencia energética, sobretodo en dispositivos móviles con alimentación de potencia limitada, aunque actualmente se centra en el almacenaje, procesado y transporte.
Existe la necesidad de equilibrar greeness y QoS, y estos son los principales puntos a tratar: los dispositivos móviles son muy variados en capacidad, consumo, requerimientos QoS, etc. así que es difícil crear una arquitectura única; se deben de poder crear perfiles de tráfico para mejorar la eficiencia; QoS y QoE no se deben ver afectados por las interferencias de escaneo y conmutación en sistemas con varias radios.
Existen algoritmos energy-aware basados en la predicción por localización e historia. Esto genera una gran cantidad de datos, lo que implica mayor consumo energético.
El P2P sharing genera mucho tráfico, y cuando se implante sobre los dispositivos móviles será un sistema muy poco eficiente debido a las constantes conexiones y desconexiones, por lo que hay que rediseñarlo.
4.3. Otros problemas Es necesario crear normas estandarizadas, por ello el IEEE está desarrollando especificaciones sobre técnicas eficientes, igual que el IETF que está estandarizando requerimientos de consumo.
Los sistemas tradiciones de tarificación (basados en los contenidos y el ancho de banda del servicio) no servirán en cuanto se incorporen medidas de eficiencia energética, y aún hay pocos sistemas propuestos, por lo que se deben inventar sistemas para motivar a los usuarios a decantarse por estas medidas.
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