Conservación de energía en medios inalámbricos

Introducción
Los dispositivos móviles tienen muchas restricciones y limitaciones en relación al consumo de la energía en comparación con los dispositivos de una red cableada. La conservación de la energía de ambientes inalámbricos es un asunto importante que debe tomarse en cuenta. Las redes de este tipo están expuestas a muchos factores que contrarrestan el uso óptimo de la energía, tales como la continúa comunicación entre los dispositivos, alojamiento de recursos y memoria, el uso eficiente de la batería de alimentación, el tráfico, etc. Todos estos factores juntos disminuyen la energía necesaria para el buen desempeño y comunicación en una red inalámbrica.

El uso eficiente de recursos computacionales no es un tema reciente, sus orígenes datan a inicios de 1992 cuando la Agencia de Protección Ambiental (www.epa.gov) y el Departamento de Energía (www.energy.gov) de los Estados Unidos (EUA), conjuntamente, promulgaron reconocer los esfuerzos en el uso óptimo de energía de diferentes dispositivos electrónicos a través del programa conocido como Energy Star (Estrella de Energía). El uso eficiente de recursos energéticos tiene como objetivos la viabilidad económica, es decir que la tecnología sea económica; responsabilidad social mediante la construcción de tecnología que contribuya a minimizar los problemas de consumo irracional de energía y minimizar el impacto en el ambiente.

En el contexto del cómputo móvil, redes inalámbricas (Wi-Fi, bluetooth) y telefonía inalámbrica, se han realizado múltiples esfuerzos por optimizar el uso de recursos, tales como el caudal de comunicación y la energía. De mayor interés ha sido la optimización en dispositivos con alimentación limitada o nula de energía, dado que sus aplicaciones se extienden al campo militar, doméstico y comercial. Ejemplo de esto han sido la telefonía celular, PDAs (Personal Digital Assistant), ManNets y las redes Ad Hoc, cuya utilidad en sus inicios ha sido restringida por la capacidad limitada de almacenamiento de energía y mínimas optimizaciones para su administración. En este artículo nos enfocaremos a describir el problema de consumo de energía en medios inalámbricos. Primero iniciamos ilustrando que tipo de eventos son los responsables del mayor consumo energético en un proceso de comunicación, específicamente en la interfaz de red. Posteriormente describimos algunas heurísticas o propuestas que se han desarrollado en la capa de transporte, del modelo de referencia OSI, con el objetivo de administrar adecuadamente la utilización de la energía.

Antecedentes
Una de las primeras investigaciones en el campo de la conservación de la energía fue liderada por los científicos Mark Stemm y Randy Katz en 1997. Stemm y Katz pertenecientes al departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Computacionales de la Universidad de Berkeley, a través de su publicación “Measuring and Reducing Energy Consumption of Network Interfaces in Hand-Held Devices” encontraron que interfaces de comunicación consumen una proporción considerable de energía al estar en un estado de ocio. En particular, mostraron que la proporción de consumo de energía es de 1:1.05:1.4 en términos de transmisión:recepción:ocio correspondientemente. En otras palabras, una interfaz de comunicación consume un número menor de miliWatts (mW, 1x10-3 watts) durante la recepción de información en comparación con el consumo realizado durante el estado de ocio e inicialización de la interfaz de red. Otras investigaciones similares soportan las mismas conclusiones, sin embargo, Stemm y Katz han sido ampliamente referenciados y reconocidos en el área. Probablemente la mayor contribución de las anteriores investigaciones, yace en el hecho que el consumo de inicialización es mucho mayor en comparación con el realizado durante el estado de ocio. Por ejemplo, la interfaz de comunicación de un dispositivo WLAN operando en la banda de 915 MHz consume 177.3 mW en ocio y 1318 mW en inicialización, el mismo dispositivo operando en 2.4 GHz consume 143 mW en ocio y 1148.6 mW en inicialización. Los dispositivos tipo PDA, requieren aproximadamente 164 mW en ocio y 1187 mW en inicialización. Una laptop requiere en términos generales aproximadamente 8000 mW para la inicialización de su interfaz de comunicación.

A partir de estas observaciones, fabricantes e investigadores iniciaron estudios buscando determinar formas de minimizar el número de veces que una interfaz de comunicación sea inicializada y extender el tiempo durante el estado de ocio, esto cuando el dispositivo de comunicación presente baja utilización.

Heurísticas para el uso eficiente de los recursos
No solo las redes inalámbricas (ManNets y Ad Hoc) se ven limitadas por la disparidad de consumo de energía en la interfaz de comunicación, sino también por que la heurística de acceso al medio es por inundación (CSMA/CA, ALOHA, 802.11, etc), lo cual genera administración innecesaria de paquetes en dispositivos no destinatarios o que no se encuentren en una ruta de comunicación hacia un nodo destinatario. Por tal motivo, en el contexto de las redes inalámbricas, las optimizaciones han sido enfocadas a minimizar el número de dispositivos activos y de mensajes transmitidos por difusión, tomando como criterios de calidad el mantenimiento de conectividad y QoS en los flujos de comunicación.

Minimizar el número de dispositivos activos es logrado a través de la elección de un conjunto dominante de comunicación, es decir, un subconjunto mínimo de dispositivos que actúen como enrutadores los cuales cuenten con suficiente capacidad de almacenamiento de mensajes y energía. Es importante que un dispositivo enrutador cuente con suficiente capacidad de almacenamiento temporal, ya que en ocasiones un flujo de información debe ser almacenado temporalmente dado que el dispositivo destinatario puede encontrarse en estado de ocio o el flujo de comunicación es interrumpido por cambios en la topología de comunicación. La limitación de mensajes transmitidos tiene como consecuencia reducir el número de mensajes retransmitidos por dispositivos no destinatarios, minimizando así la aparición de mensajes duplicados y la necesidad de implementar estrategias para eliminar información redundante. Los protocolos de comunicación que se han visto impactados por las anteriores metas son los de enrutamiento. Tal como el Destination Séquense Distance Vector (DSDV), Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV), Dynamic Source Rouring (DSR), por mencionar algunos. No solo los protocolos de enrutamiento requieren emplear esquemas para la optimización de energía, si no, cualquier protocolo que requiera operaciones constantes de diseminación; por ejemplo, para mantener coherente tablas de enrutamiento, mantenimiento de un estado global, QoS, o comunicación en grupo.

Múltiples heurísticas han sido propuestas, tales como AC (Adaptive Clustering), PC (Passive Clustering), GAF (Geographic informed Ad Hoc Routing) y Span, por mencionar algunas. El común denominador de estos algoritmos demuestran que las decisiones orientadas al mantenimiento de energía se realizan en la capa de transporte, en vez de la capa MAC. Por lo que adicional a mantener una visión parcial de los flujos de comunicación y la topología de interconexión, la capa de transporte según la heurística implementada puede mantener: la ubicación geográfica de dispositivos vecinos, el rol que desempeña el dispositivo en la infraestructura de enrutamiento, cantidad de recursos de almacenamiento y energía del dispositivo y de sus vecinos inmediatos, entre otra información. La tabla 1, resume algunas otras características de los protocolos previamente mencionados.

Tabla 1. Comparación de los algoritmos para la conservación de la energía

 

AC

PC

GAF

Span

Información que mantiene

Vecinos 1 y 2 brincos

Nodos enrutadores y coordinadores vistos

Ubicación física y prioridad de vecinos

Coordinador local y de vecinos

Modo de operación

Pro-activo

Pro-activo

Pro-activo

Pro-activo

Regulación de energía en la tarjeta de red

Si

No

No

No

Utiliza GPS

No

No

Si

No

Criterio de optimización

Minimiza el número de dispositivos activos y regula la energía de transmisión

Minimiza el número de dispositivos enrutadores y el número de transmisiones

Minimiza el número de dispositivos activos y realiza balanceo de cargas, implementa prioridades

Minimiza el número de dispositivos activos

 

Heurística

Crea grupos de comunicación, el tamaño del grupo es estimado minimizando colisiones y el retraso de transmisión en flujos de comunicación    

 

Elije dispositivos enrutador bajo la política “primero en auto declarase gana”.

Dispositivos no elegidos solo pueden recibir y transmitir información

 

Cada dispositivo utiliza información de su ubicación física para asociarse a una celda en una malla virtual.

Dentro de una celda se elije a un nodo enrutador si tiene baja probabilidad de salir de la celda y alta capacidad energética

 

Los dispositivos elegidos son aquellos que pueden comunicar a más pares.

Dispositivos no elegidos estiman un retardo para competir ser enrutador.

Al agotarse la energía en un enrutador, cede su rol a un dispositivo con mayor capacidad energética y que pueda comunicar a más pares

Conclusión
Las redes inalámbricas tienen múltiples aplicaciones prácticas en medios comerciales, escenarios de emergencia, monitoreo y el hogar. Si tal infraestructura no cuenta con fuentes continuas de suministro de energía los protocolos de conservación de energía son de vital importancia ya que permitirán extender el uso de la red. Los retos actuales para el diseño de protocolos de conservación de energía incluyen: proveer heurísticas que extiendan su funcionalidad a través de la pila de protocolos, tal que generen una transición al estado modo pasivo MAC 802.11. Entre otros retos se tienen: QoS, preservar la fidelidad de enrutamiento y regular la potencia de transmisión con el objetivo de maximizar el uso del canal de comunicación.

Como previamente se ha discutido, múltiples esfuerzos se han realizado para optimizar el uso de energía en la capa MAC, estableciendo mecanismos rígidos de administración a conciencia de aspectos físicos, tal como la utilización óptima del medio de comunicación, minimización de contención, por mencionar algunos parámetros a optimizar. Sin embargo, nuevas heurísticas están siendo desarrolladas en niveles superiores de la jerarquía de protocolos, tales, toman en consideración reducir flujos redundantes de comunicación y elección de un conjunto mínimo de comunicación. Podemos esperar, que nuevas heurísticas se acerquen más a la capa de usuario y que los patrones y necesidades de comunicación sean los criterios determinantes para administrar los recursos energéticos de los dispositivos de comunicación.

Los autores, Adan Hirales y Evelio Martínez, son docentes-investigadores de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de Baja California de la Ciudad de Ensenada en México.

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