1.
INTRODUCCION
Las redes
inalámbricas basadas en el estándar IEEE 802.15.4, son ampliamente utilizadas
en redes de sensores por sus características: baja velocidad de transferencia
de datos, requerimientos de baja potencia y baja complejidad en la comunicación
por radio frecuencia. Estas redes son utilizadas en aplicaciones industriales,
domóticas y médicas, por ser de fácil implementación (Gómez et al. 2010).
Por la baja
capacidad en la velocidad de transferencia de estas redes, es necesario un
análisis de rendimiento (Caprile, 2009), para cumplir las exigencias del tráfico ocasionado por un gran
número de sensores y garantizar la confiabilidad de la red.
El rendimiento
de una red es el tráfico ofrecido, definido por el tamaño de los bytes de carga
útil que se transmiten sobre el tiempo de espera (Astaiza et al. 2013), éste determina la cantidad de
información que es posible enviar en un tiempo determinado (Piyare, Lee, 2013). El análisis de rendimiento es
usado para dimensionar y planificar la red, determinando el número máximo de
dispositivos conectados a ésta y, garantizando la velocidad de transferencia de
información requerida en el servicio (Gowrishankar et al. 2008).
El estándar
IEEE 802.15.4 define la capa física (Physical Layers, PHY) y la capa de control
de acceso al medio (Medium Access Control, MAC); la capa física define las
frecuencias de operación utilizadas en los enlaces radioeléctricos y los mecanismos
de control de bajo nivel y, la capa MAC maneja el acceso al canal de radio
físico (IEEE Std 802.15.4-2011, 2011).
Dentro de
los requerimientos de la capa física se encuentran: la asignación de canales,
estructura de las tramas y funciones de adecuación para la difusión y
modulación. Para la banda de operación de 2,4 GHz, el estándar define una
conversión de bits a símbolos y de símbolos a chip, con una secuencia binaria
cíclica la cual es modulada utilizando O-QPSK con pulso seno de media onda, 4 bits
representan un símbolo, que es convertido a 32 chip, la velocidad de chip
nominal es de 2,0 Mchip/s, y es 32 veces la velocidad de símbolo, 62,5
ksymbol/s, estableciendo una tasa de bits de 250 kbits/s. El máximo tiempo de
espera en la capa física estará definido por el tamaño en bytes de la unidad de
datos de protocolo de la capa física (PPDU), convertidos a bits y divididos
entre la tasa de bits (IEEE Std 802.15.4-2011, 2011).
La capa MAC
utiliza el algoritmo CSMA – CA (Acceso múltiple por detección de portadora con
evasión de colisiones) para la transmisión de datos, este algoritmo puede ser
ranurado si se envía beacon como habilitador y no ranurado si se accede de
forma aleatoria; en ambos casos utiliza períodos de tiempo de retroceso
aUnitBackoffPeriod alineando las ranuras de la supertrama a enviar, el número
máximo de aUnitBackoffPeriod antes de declarar fallo en el acceso al canal está
definido por macMaxCSMABackoffs, y el número de períodos de retroceso que un
dispositivo debe esperar antes de intentar evaluar un canal depende de forma
exponencial del macMinBE. Los parámetros anteriores determinan el máximo tiempo
de espera en la capa MAC para el envío de una trama, según la ecuación 1 (IEEE
Std 802.15.4-2011, 2011).
El tiempo
total de espera utilizado para analizar el rendimiento, es el tiempo requerido
para enviar una trama de datos, y equivale a sumar el tiempo máximo de espera
en la capa física y la capa MAC.
Algunas
investigaciones en el tema se encuentran registradas en artículos científicos,
en donde se muestra el análisis matemático o simulaciones del rendimiento de
redes IEEE 802.15.4, unos relacionando el consumo medio de energía y la tasa de
error de bit (Bougard et al. 2005), otros analizan diferentes tamaños de
ventanas de tiempo de guarda (GTS) (Timmons, Scanlon, 2004), otros analizan la
latencia y la energía con diferentes cantidades de tráfico de fondo (Lu et al.
2004), y otros modelan algunos mecanismos de CSMA-CA
(Kohvakka
et al. 2010), entre otros.
En este
artículo se evalúa el rendimiento en distintas topologías de redes de prueba,
realizando medidas del tiempo de envío y del tiempo de recibido de información
entre dispositivos, variando el tamaño de carga útil del mensaje, con el
objetivo de modelar el comportamiento real del tráfico en redes inalámbricas
IEEE 802.15.4. Estos modelos se fundamentan en el análisis estadístico de las
medidas tomadas y en el tiempo de espera para la transferencia de una trama
propuesto en el estándar.
2.
METODOLOGÍA
Para
evaluar el rendimiento de las distintas topologías de redes se empleó la
siguiente metodología.
Las redes
de sensores de prueba a 2400 MHz se conformaron con dispositivos XBee Series 2
modelo XB24-B del fabricante Digi International; estos dispositivos utilizan la
tecnología ZigBee que es basada en el estándar para redes inalámbricas IEEE
802.15.4 (ZigBee, 2014). Estos dispositivos se configuraron por medio del
software X-CTU Versión 5.1.4.1 (Digi, 2008) del mismo fabricante, a través de
una tarjeta de interfaz XBee Xplorer conectada por cable USB (Universal Serial
Bus) a un computador.
Las
topologías de redes implementadas en el experimento son: punto a punto, punto a
multipunto y redes con múltiples número de saltos (ns), como se muestra en la
figura 1, en donde C, E y R representan XBee configurados como coordinador,
dispositivo final y enrutador, respectivamente.
Se
realizaron medidas del tiempo de latencia en estas redes, utilizando el
software Docklight Versión 2.0.5 de Flachmann y Heggelbacher (2013). Este
software captura la fecha y hora a la cual se envían y reciben datos por un
puerto COM del computador. Los puertos COM son utilizados para conectar el
computador y los dispositivos XBee trasmisores y receptores a través de
tarjetas XBee Xplorer.
Figura 1. Topología de redes
implementadas
El
rendimiento de la red es cuantificado usando la velocidad de transmisión de
datos R, que se estima a partir del número de bits enviados por el puerto
dividido entre la diferencia del tiempo de envío (COM Tx) y el tiempo de
recibido (COM Rx) en segundos, según la ecuación 2.
Las medidas
de tiempo se tomaron en cada red con dispositivos separados a 1 metro de
distancia y configurando la velocidad de transferencia de la interfaz serial a:
9600, 38400 y 115200 bits por segundo; variando en cada velocidad el tamaño de
los paquetes enviados desde 10 bytes hasta 80 bytes con incremento de 10 bytes,
sin superar la carga útil soportada por los módulos XBee serie 2 que es de 84
bytes (Digi, 2010).
Para cada
variación de las variables independientes, velocidad de transferencia de la
interfaz serial y tamaño de los paquetes enviados, se tomaron 10 medidas del
tiempo de envío y de recepción de paquetes para calcular el rendimiento.
En las
redes punto a multipunto el rendimiento se midió en el coordinador, calculando
el tiempo de envío de los paquetes de datos desde uno de los dispositivos
finales hasta éste, mientras que los demás dispositivos finales enviaban
paquetes de datos periódicamente cada 3 segundos hacia el coordinador,
simulando un tráfico constante.
En la red
con los enrutadores se midió el rendimiento en el dispositivo final, calculando
el tiempo de envío de los paquetes de datos desde el coordinador hasta el
dispositivo final.
Con los
datos obtenidos en las medidas de tiempo de latencia se procedió a modelar el
rendimiento para las distintas topologías de redes, utilizando el software de
análisis estadístico y predictivo Statistica de StatSoft (2013). Inicialmente
se agruparon los tiempos medidos por el tamaño de paquete enviado y se halló la
media de éstos, para determinar un modelo del tiempo de latencia requerido para
el envío de información. Este modelo se calculó en función de la velocidad de
transferencia de interfaz serial (RS) a través de regresiones simples, ver
tabla 1.
Tabla 1. Modelos del tiempo de
latencia en función de la velocidad de transferencia de la interfaz serial
Modelo del
tiempo de latencia
Payload 2
T = K1 + K2 (RS) + K3 (RS )
10 T = 0,038 - 3,392 × 10-7 RS + 2,384 × 10-12RS2
20 T = 0,058 - 1,043 × 10-6 RS + 6,535 × 10-12RS2
30 T = 0,067 - 1,177 × 10-6 RS + 7,152 × 10-12RS2
40 T = 0,0821 - 1,67 × 10-6 RS + 1,019 × 10-11RS2
50 T = 0,098 - 1,949 × 10-6 RS + 1,167 × 10-11RS2
60 T = 0,1113 - 2,353 × 10-6 RS + 1,43 × 10-11RS2
70 T = 0,128 - 2,819 × 10-6 RS + 1,751 × 10-11RS2
80 T = 0,137 - 2,921 × 10-6 RS + 1,817 × 10-11RS2
Después de
obtener estos modelos se procedió a calcular cada una de sus constantes en
función del tamaño del paquete enviado (Payload), a través de regresiones
simples teniendo como resultados las expresiones de la tabla 2.
Tabla 2. Constantes K en función del
tamaño del paquete enviado
Modelo del tiempo de latencia T = K1 + K2 (RS) + K3 (RS2)
K1 = 0,0262 + 0.0014 (Payload)
K2 = - 1,624 × 10-7 - 3,618 × 10-8 (Payload)
K2 = 9,0273 × 10-13 - 2,241 × 10-13 (Payload)
Finalmente se obtuvo un modelo del
tiempo de latencia requerido para el envío de información, en función del
tamaño de los paquetes enviados y de la velocidad de transferencia de la
interfaz serial. Modelo que se representa en la ecuación 3.
Este modelo
es utilizado para calcular el rendimiento siguiendo la ecuación 2.
3.
RESULTADOS
4.
Los
modelos obtenidos en función de la velocidad de transferencia de la interfaz
serial (RS), el tamaño del paquete de datos (Payload) y la topología de red
implementada son: la ecuación 4 para la red punto a punto, la ecuación 5 para
la red punto a multipunto y la ecuación 6 para la red con enrutadores.
En el
modelo para redes punto a multipunto se incluye la variable test, que es el
tiempo de latencia debido a la influencia de otras estaciones en un entorno
equiprobable y, depende del tiempo de servicio (h) y del tráfico ofrecido (A)
(Bougard, B. et al., 2005); ésta es calculada de acuerdo con las ecuaciones 7,
8 y 9.