control de potencia para comunicaciones...

Universidad Autónoma de San Luis Potosí, Facultad de CienciasPosgrado en Ingeniería Electrónica

Control de Potencia para Comunicaciones Vehiculares

Primer Avance de Tesis que presenta:

M. I. E. Miguel Ángel Díaz IbarraBajo la direccin de:

Dr. Daniel Ulises Campos Delgado (UASLP)Dr. Francisco José Cabrera Almeida (iDeTIC, ULPGC)

2 de mayo de 2016

Resumen

En este documento se describe el trabajo realizado durante los primeros tres meses en el programa de Docto-rado en Ingeniería Electrónica de la Facultad de Ciencias de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí. El obje-tivo del proyecto consiste en desarrollar y analizar nuevos algoritmos de control de potencia para comunicacionesvehiculares de corto alcance para los enlaces de vehículo-a-infraestructura y de vehículo-a-vehículo, basados enel estándar IEEE 802.11p. A diferencia de las metodologías de control de potencia que se han propuesto en la li-teratura para comunicaciones vehiculares, se pretende que los algoritmos que se propongan aquí tengan una bajacomplejidad considerando un enfoque distribuido, y que además funcionen adecuadamente bajo las restriccionesque impone el estándar IEEE 802.11p. Otra línea de trabajo se enfoca en el uso del paradigma de LTE (Long TermEvolution) para redes vehiculares, considerando los enlaces dispositivo-a-dispositivo o D2D (Device-to-Device). Porlo que los resultados que se pretenden obtener en este proyecto buscan ser de utilidad en el diseño de sistemas decomunicaciones vehiculares. Así mismo otra aportación del proyecto consiste en desarrollar un banco de pruebascon elementos comerciales bajo el estándar IEEE 802.11p y LTE D2D para validar los algoritmos de control depotencia. El banco de pruebas se diseñará e implementará bajo una colaboración con la Universidad de las Pal-mas de Gran Canaria (ULPGC). En una primera instancia y para iniciar recopilado experiencia sobre plataformasexperimentales, se trabajará durante el primer año sobre módulos inalámbricos comerciales bajo el estándar IEEE802.15.4, explorando la forma de evaluar la calidad de servicio de forma rápida y eficiente para implementar uncontrol de potencia.

1. Motivación

Los sistemas de comunicaciones vehiculares emergen como una solución prometedora para la segu-ridad vial y el control del tráfico [1]. Además, esta tecnología proporciona conectividad a Internet a lospasajeros en movimiento. Este tipo de aplicaciones serán posibles gracias al intercambio de informaciónentre vehículos (V2V, por sus siglas en inglés) y entre vehículos-e-infraestructura (V2I, por sus siglas eninglés) creando sistemas de transporte inteligentes (ITS, por sus siglas en inglés) [1]. Con estos ITS, cadavehículo será capaz de intercambiar información de su estado con otros vehículos y la infraestructurainstalada a lo largo del camino. Existen dos tipos de mensajes en las redes vehiculares: periódicos y poreventos [2]. Los mensajes periódicos son preventivos y tienen como propósito la seguridad de los vehícu-los vecinos. Estos mensajes también se les conoce como beacons, y envían información como velocidad,dirección y posición. Mientras tanto, los mensajes por eventos (event-driven) se generan al detectar unpeligro en el camino, como el frenado repentino de un vehículo, un vehículo en emergencia circulandoa alta velocidad, entre otros. De este modo, se podrán detectar situaciones fatales con tiempo suficientepara advertir al conductor y de esta manera evitar la situación de peligro. En la Figura 1 se muestra unejemplo de aplicación de un sistema de comunicaciones vehiculares en situaciones de emergencia, en

2 Primer Avance de Tesis

Fig. 1: Ejemplo de aplicación de un sistema de comunicaciones vehiculares en situaciones de emergencia.

el cual se contempla un escenario en que los vehículos se comunican entre si para prevenir colisiones ysalvar vidas.

En años recientes, grupos de trabajo de distintas partes del mundo se han enfocado a desarrollar tec-nología para comunicaciones dedicadas de corto alcance (DSRC, por sus siglas en inglés) [3]. La palabradedicado en DSRC se refiere al hecho de que la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, por sus si-glas en inglés) asignó una licencia de operación de 75 MHz de espectro en la banda de 5.9 GHz con estefin. Esta porción del espectro se divide en varios canales, donde se espera que los mensajes de seguridadde V2V puedan ser intercambiados en el canal 172 (5.855 GHz - 5.865 GHz), un canal especialmente di-señado para la seguridad. El término corto alcance se refiere a que la comunicación tiene un alcance devarios cientos de metros, una distancia menor que la que se ofrece típicamente en la tecnología celulary Wi-Max. Además, la tecnología para DSRC hacen uso de las especificaciones del estándar 802.11p. Elestándar 802.11p [3] constituye una adaptación de la norma 802.11 (Wi-Fi) al entorno vehicular. Espe-cíficamente, abarca la capa física (PHY) y subcapa control de acceso al medio (MAC, por sus siglas eninglés) de la pila de protocolos. La familia de estandares para el acceso inalámbrico en ambientes vehi-culares (WAVE, por sus siglas en inglés) 1609.x complementan la norma 802.11p, definiendo aspectosadicionales como mecanismos de seguridad, servicios de red y operaciones de multicanalización.

Actualmente, los sistemas de comunicaciones vehiculares basados en el estándar IEEE 802.11p estánenfocados en proveer aplicaciones de seguridad, información del tráfico y entretenimiento. Además,requieren de una red inalámbrica que sea confiable y eficiente. Sin embargo, la confiabilidad de lossistemas de comunicación vehiculares es afectada por múltiples factores, como se ilustra en la Figura 2.Aunque estos factores son inevitables, es posible reducir el número de fallos en la red debido a estosfenómenos a través de algoritmos de control de potencia para comunicaciones vehiculares, que tomenen cuenta las clases de mensajes a transmitir, así como el tipo de enlace: V2V o V2I.

En estudios anteriores [4, 5, 6, 7], se ha demostrado que el empleo de mecanismos de control poten-cia para comunicaciones vehiculares mejoran el rendimiento del sistema, en términos del caudal eficaz através de LTE y enlaces dispositivo-a-dispositivo o D2D[4]. Esta idea es muy atractiva dado el desarrollode LTE en los últimos años y su adopción como la plataforma base de las comunicaciones inalámbricasde alta capacidad. De hecho, diversos trabajos proponen el control de potencia para mitigar las interfe-rencias o mantener la conectividad de la red. Por lo tanto, en este proyecto de tesis se propone el controlde potencia para sistemas de comunicaciones vehiculares basados en el estándar 802.11p y LTE D2D pa-ra mejorar la confiabilidad de la comunicación entre vehículos y entre vehículos e infraestructura. Paraello, se estudiarán algoritmos de control de potencia para maximizar el caudal eficaz, la capacidad delsistema y la eficiencia espectral. Así mismo se desarrollará en colaboración con el iDeTIC la Universi-

UASLP – Posgrado en Ingeniería Electrónica 2 de mayo de 2016

Control de Potencia para Comunicaciones Vehiculares 3

Fig. 2: Mecanismos de propagación y sus efectos.

dad de las Palmas de Gran Canaria una cama de pruebas que contemple el estándar IEEE 802.11p yLTE D2D, para validar los esquemas de control de potencia previamente desarrollados en este proyecto.Como un primer paso y con el objetivo de adquirir experiencia en el manejo de hardware inalámbrico,durante el primer año del proyecto se implementará un algoritmo de control de potencia en una red desensores móviles que trabaja con el estándar IEEE 802.15.4. Los módulos inalámbricos disponibles sonlas plataformas Z1 de la marca Zolertia (http://zolertia.sourceforge.net/).

Durante los primeros 3 meses del proyecto, se trabajó en la forma de evaluar la calidad de servicioen los módulos inalámbricos Z1 y los comandos que tiene su sistema operativo con este fin; así comovaria este parámetro en función de la distancia de transmisión y los niveles de potencia, con el objetivode implementar un algoritmo de control de potencia en una red de elementos móviles z1 que garanticela QoS a pesar del movimiento de los nodos. Los resultados preliminares que se han obtenido hasta lafecha se presentan en la sección 5.

2. Hipótesis

El control de potencia en los sistemas de comunicación vehiculares permitirá hacer un uso mas efi-ciente de los recursos de la red y lograr la calidad de servicio deseada en los enlaces V2V y V2I. En unaprimera instancia, un control centralizado permitirá maximizar el caudal eficaz, la capacidad del siste-ma y la eficiencia espectral. Por otra parte, un control distribuido de potencia da la opción de diseñar unalgoritmo de baja complejidad y que solo utilice mediciones locales de desempeño, así como garantizarconvergencia. Los estándares IEEE 802.11p y la tecnología LTE D2D se verán beneficiadas por el controlde potencia para reducir la interferencia y hacer un uso mas eficiente de la energía de transmisión. Exis-ten equipos comerciales que permitirán implementar una red de elementos móviles bajo los estándaresestudiados en este proyecto, y que dan la oportunidad de implementar y validar los algoritmo de controlde potencia.

3. Objetivos

3.1. Objetivo general

Estudiar, desarrollar y analizar algoritmos de control de potencia centralizados y distribuidos ensistemas vehiculares bajo el estándar IEEE 802.11p y la tecnología LTE D2D, y validarlos por medio dela implementación de una cama de pruebas construida con equipos comerciales.



3.2. Objetivos particulares

1. Estudiar las propiedades que deben tener los algoritmos de control de potencia para sistemas decomunicación vehiculares, y establecer una definición clara del concepto de calidad de servicio(QoS, por sus siglas en inglés) en estos sistemas.

2. Analizar para los estándares IEEE 802.15.4, IEEE 802.11p y LTE D2D las mediciones asociadas conla QoS en los enlaces de comunicación, y definir una medida que pueda utilizarse en tiempo real.

3. Implementar una red de elementos móviles con las plataformas Z1 de Zolertia (IEEE 802.15.4) queimplemente un control de potencia y garantice QoS a pesar de movimiento en los nodos.

4. Definir los problemas de control de potencia centralizados asociados con maximizar el caudal efi-caz, la capacidad del sistema, la utilidad, o la eficiencia espectral en sistemas de comunicación V2Vy V2I; así como derivar sus soluciones analíticas y prácticas.

5. Definir el problema de control de potencia distribuido en función de las mediciones locales dedesempeño, derivar soluciones que garanticen convergencia y estabilidad del sistema retroalimen-tado.

6. Realizar una estancia el iDeTIC de la ULPGC para implementar una cama de pruebas con equi-po comercial bajo los estándares IEEE 802.11p y LTE D2D, que permita validar los algoritmos decontrol de potencia centralizados y distribuidos previamente desarrollados.

7. Realizar aportaciones al estado del arte en el control de potencia de sistemas de comunicaciónvehiculares por medio de publicaciones en revistas indexadas y congresos, tanto nacionales comointernacionales.

4. Metodología

Con respecto a la metodología de trabajo, se seguirá una estrategia de verificación de hipótesis através de un análisis tanto teórico como experimental. El análisis teórico se llevará a cabo sobre la basede la teoría de control y de los sistema de comunicación, la probabilidad y estadística, y la teoría de lainformación. Por otro lado, el análisis experimental se realizará utilizando un banco de pruebas que seconstruirá dentro de este proyecto. Este banco de pruebas se montará utilizando dispositivos comercialespara redes IEEE 802.11p y LTE, que permitan la modificación del firmware, de manera que sea posibleprogramar en dichos dispositivos los algoritmos de control de potencia que se desarrollen en el proyecto.Como un primer acercamiento a este objetivo, se desarrollará un sistema de comunicaciones móviles conredes de sensores inalámbricos, que operan bajo el estándar IEEE 802.15.4. Los módulos inalámbricos omotes que se emplearán son de la compañía Zolertia, y se programan bajo el lenguaje Contiki, que es unaplataforma abierta para la programación de los dispositivos.

5. Análisis experimental del RSSI, LQI y PRR

Las redes de sensores inalámbricos están formados por un grupo de nodos o motes, con ciertas ca-pacidades de percepción (temperatura, humedad, luz, movimiento, etc.) y de comuncación [8, 9]. Enese sentido, una red vehicular pueden ser vista como una red de sensores móviles, con la finalidad deimplementar un algoritmo de control de potencia que garantice la QoS a pesar del movimiento de losnodos de manera experimental.



5.1. Módulos inalámbricos

Los módulos inalámbricos provienen de la compañia Zolertia, en particular de la plataforma z1 ycontienen una unidad de procesamiento MSP430, así como un sensor de temperatura y un acelerómetrode 3 ejes. La comuncación inalámbrica se basa en un esquema de espectro extendido por secuenciadirecta (DSSS, por sus siglas en inglés). El sistema operativo Contiki se utiliza para la programación de losmódulos inalámbricos z1, el cual permite regular de manera precisa el nivel de potencia de transmisiónya sea bajo el sistema operativo Windows o Mac.

5.2. Transceptor de radiofrecuencia CC2420

El transceptor CC2420 opera en la banda Industrial Científica Médica (ISM, por sus siglas en inglés)de 2.4 GHz bajo el estándar IEEE 802.15.4, con una tasa máxima efectiva de transmisión de 250 Kbps.La banda ISM está dividida en 16 canales de 3 MHz cada uno y una separación entre canales de 5 MHzpara evitar así la interferencia co-canal, como se puede apreciar en la Figura 3.

IEEE 802.15.4Separación entre canal

2405 MHzCanal 15 Canal 20 Canal 25, 26

5 MHz

Canal

por defecto

3 MHz

Fig. 3: Estándar IEEE 802.15.4

5.2.1. Nivel de potencia de transmisión y potencia de transmisión de salida

La potencia de transmisión de salida se regula a través del comando set_txpower: CC2420_set_txpower(power),donde la variable power hace referencia al nivel de potencia de transmisión cuyo valor fluctúa entre 0 y31. Cada nivel de potencia de transmisión corresponde a una potencia de salida medida en dBm que vadesde -25 dBm hasta 0 dBm, como se muestra en la tabla 1 [10].

Tab. 1: Nivel de potencia de transmisión, potencia de salida y consumo de corriente por las baterias delmódulo inalámbrico z1.

Nivel de potencia Potencia de salida (dBm) Consumo de corriente (mA)de transmisión

31 0 17.427 -1 16.523 -3 15.219 -5 13.915 -7 12.511 -10 11.27 -15 9.93 -25 8.5



5.2.2. Indicador de potencia de la señal recibida

El indicador de potencia de la señal recibida (RSSI, por sus siglas en inglés) es la estimación de la po-tencia de la información recibida en el módulo inalámbrico [11]. Esta métrica se calcula sobre el promediode 8 periodos del símbolo (128 µs) y es almacenada en un registro RSSI_V AL. Si existe interferencia enel enlace, está será cuantificada como parte de la información recibida por el RSSI. El transceptor especi-fica la siguiente fórmula para calcular la potencia de la señal recibida en dBm:

P = RSSI_V AL + RSSI_OFFSET (1)

donde RSSI_OFFSET es aproximadamente -45 [10]. Existen dos interfaces que proporcionan la lecturade la métrica RSSI:

CC2420_rssi(): proporciona valores del RSSI en todo momento.

CC2420Packet.getRssi(msg): proporciona un valor del RSSI por cada mensaje que se recibe.

5.2.3. Indicador de calidad del enlace

El indicador de calidad del enlace (LQI, por sus siglas en inglés) mide la calidad de un paqueterecibido exitosamente [8]. Esta métrica se calcula con base a los primeros ocho símbolos que siguen alinicio delimitador de trama (SFD, por sus siglas en inglés). Los valores del LQI son por lo general entre50 y 110 [10]. El valor más alto del LQI indica una mejor calidad en el enlace, mientras que el valor másbajo indica lo contrario. Existe un comando que proporciona la lectura del LQI para cada mensaje que serecibe: packetbuf_attr(PACKETBUF_ATTR_LINK_QUALITY).

5.2.4. Tasa de recepción de paquetes

La tasa de recepción de paquetes (PRR, por sus siglas en inglés) se calcula como el número de paque-tes recibidos con éxito para un número de paquetes transmitidos. Otra métrica similar se llama la tasade pérdida de paquetes (PDR, por sus siglas en inglés), la PDR se calcula como 1-PRR [12, 13]. Para ello,se implementa una secuencia de comados en el sistema operativo Contiki, el cual se ejecuta como unicast:que cuenta el número de paquetes recibidos y almacena el valor de paquetes transmitidos, con el fin decalcular la PRR.

5.3. Experimentos

Para llevar acabo las mediciones del RSSI, LQI y PRR, se colocó el nodo transmisor y el nodo receptora una distancia de separación de 5 metros. Asimismo, 100 paquetes son enviados desde el nodo trans-misor al nodo receptor con cada configuración del nivel de potencia de transmisión disponible. Una vezque todos los niveles de potencia de transmisión se prueban, el nodo transmisor se mueve más lejos delnodo receptor (5 metros) y cada nivel de potencia de transmisión se prueba nuevamente. Este procesose continua hasta que no se reciben paquetes para los diferentes niveles de potencia de transmisión aexcepción del nivel de potencia de transmisión 27 y 31, como se muestra en la Figura 4.



Fig. 4: Evaluación experimental

5.3.1. Medición del RSSI para diferentes niveles de potencia de transmisión y distancias

En la Figura 5 se muestra el RSSI para los diferentes niveles de potencia de transmisión. En estafigura, el eje x es la distancia en metros (m), entre el nodo receptor y el nodo transmisor y el eje y

representa los valores promedio del RSSI en dBm, que el nodo receptor registra para cada distancia ynivel de potencia de transmisión. Cada línea en la figura representa el registro del RSSI a una distanciadada para un nivel de potencia de transmisión como se muestra en la leyenda. En esta gráfica, cadalínea del extremo derecho de la figura indica el último punto en el que se reciben los paquetes. Cabemencionar que el nivel de potencia de transmisión 27 y 31 no son los últimos puntos en el que se recibenlos paquetes, debido a un obstaculo en el lugar del experimento. Además, se observa que al aumentar ladistancia el RSSI disminuye para los diferentes niveles de potencia de transmisión de manera cuadrática.

0 20 40 60 80 100 120−95

−90

−85

−80

−75

−70

−65

−60

−55

−50

−45

Distancia (m)

RS

SI (

dBm

)

Nivel de potencia de transmisión 3Nivel de potencia de transmisión 7Nivel de potencia de transmisión 11Nivel de potencia de transmisión 15Nivel de potencia de transmisión 19Nivel de potencia de transmisión 23Nivel de potencia de transmisión 27Nivel de potencia de transmisión 31

Fig. 5: Medición de la RSSI para diferentes niveles de potencia y distancias.

5.3.2. Medición del LQI para diferentes niveles de potencia y distancias

En la Figura 6 se muestra el LQI para los diferentes niveles de potencia de transmisión. En esta figura,el eje x es la distancia en metros (m), entre el nodo receptor y el nodo transmisor y el eje y representalos valores promedio del LQI, que el nodo receptor registra para cada distancia y nivel de transmisiónde potencia. Cada línea en la figura representa el registro del LQI a una distancia dada para un nivelpotencia de transmisión como se muestra en la leyenda. Además, se observa que al aumentar la distanciael LQI disminuye para los diferentes niveles de potencia de transmisión.



0 20 40 60 80 100 12065

70

75

80

85

90

95

100

105

110

Distancia (m)

LQI


Fig. 6: Medición del LQI para diferentes niveles de potencia y distancias.

5.4. Resultados experimentales del RSSI (dBm), LQI y PRR

En esta sección se presentan los resultados del RSSI, LQI y PRR, en un entorno de línea de vistaentre el nodo receptor y el nodo transmisor a una distancia de separación de 5 metros, en el canal 26del estándar IEEE 802.15.4 con el objetivo de evaluar cuál métrica tiene mayor correlación con PRR. Lasmediciones del RSSI y LQI se recopilan en el nodo receptor cuando se recibe un paquete. Cuando sepierde un paquete, éste no se incluye en los calculos del RSSI o LQI. EL PRR se calcula como el númerode paquetes recibidos dividido por el número de paquetes enviados. En la Figura 7 se muestra la PRRcontra LQI para los diferenres niveles de transmisión de potencia. En esta misma figura, se observa quela PRR se incrementa entre los valores 67 y 102 de la métrica LQI. En la Figura 8 se visualiza la PRR contraRSSI para los diferentes niveles de potencia de transmisión. En esta figura se observa cómo se incrementala PRR a medida que aumenta la RSSI. Además, se puede apreciar en la gráfica que el umbral a partirdel cual la PRR aumenta de forma brusca se encuentra alrededor de -90 dBm para los diferentes nivelesde potencia de transmisión . Por otra parte, en la tabla 2 se puede observar que al aplicar la correlaciónentre cada uno de los resultados de PRR con LQI y RSSI, el coeficiente de correlación entre PRR y LQIsiempre es mayor que el coeficiente de correlación entre PRR y RSSI. Por lo tanto, la métrica LQI o enconjunto LQI y RSSI podrían ser candidatas para medir la QoS al implementar un algoritmo de controlde potencia en una red de elementos móviles con las plataformas z1 de Zolertia bajo el estándar IEEE802.15.4.

65 70 75 80 85 90 95 100 105 1100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

LQI

PR

R


Fig. 7: PRR contra LQI para los diferenres nivelesde transmisión de potencia.

−95 −90 −85 −80 −75 −70 −65 −60 −55 −50 −450

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

RSSI

PR

R


Fig. 8: PRR contra RSSI para los diferenres nivelesde transmisión de potencia.



Tab. 2: Nivel de potencia de transmisión, coeficiente de correlación entre PRR y LQI y coeficiente decorrelación entre PRR y RSSI.

Nivel de potencia Coeficiente de correlación Coeficiente de correlaciónde transmisión entre PRR y RSSI entre PRR y LQI

31 0.5222 0.793427 0.4721 0.767523 0.5809 0.759219 0.4155 0.630415 0.5289 0.883911 0.5940 0.89207 0.8008 0.98393 0.8941 0.8952

5.5. Trabajo a futuro

Implementar un algoritmo de control de potencia en una red de elementos móviles z1 utilizando lasmétricas LQI y RSSI para ajustar la potencia de transmisón.

6. Cronograma de actividades

En la Tabla 3 se muestra el cronograma de actividades del proyecto de tesis, que recién comenzóen Enero/2016 y concluiría después de un periodo de 4 años en Diciembre/2019. Cabe mencionar, quedespués del tercer semestre se contempla realizar una estancia de trabajo por 12 meses en el iDeTIC deULPGC.

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10

Prim

er

Av

an

ced

eT

esis

Tab. 3: Cronograma de Actividades en el Proyecto de Tesis Doctoral (E-A: Enero-Abril, M-A: Mayo-Agosto, S-D: Septiembre-Diciembre).Actividad 2016 2017 2018 2019

E-A M-A S-D E-A M-A S-D E-A M-A S-D E-A M-A S-DRevisión Bibliográfica X X X X X X X X X X X X

Curso: “Optimización” X XSeminario 1 X X

Curso: “Optimización Avanzada” X XCurso: “Automatización de Proc.” X X

Seminario 2 X XImplementación de un Algoritmo de Control de Potencia X X X

en Red Móvil IEEE 802.15.4Desarrollo, evaluación y análisis de un nuevo algoritmo X X

de control de potencia centralizado para redes V2IRedacción Artículo Congreso Internacional X

Seminario 3 X XRedacción Artículo Revista Indexada X

Desarrollo, evaluación y analisis de un nuevo algoritmo X Xde control de potencia distribuido para redes V2V

Estancia iDeTIC, ULPGC X X XDiseño de Banco de Pruebas X

Construcción de Banco de Pruebas X XEvaluación Experimental de Algoritmos de Control de Potencia X

Examen Candidatura XRedacción Artículos Revista Indexada y Congreso Int. X

Seminario 4 X XRedacción de Tesis X X

Presentación de ExámenesPrevio y Final X

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enIngeniería

Electrónica

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