RECERCA UPF: “La Internet de les coses per satèl·lit serà cada vegada més accessible”
Gràcies a la implementació d’esquemes avançats d’accés aleatori per satèl·lit que fan servir algorismes eficaços i de baixa complexitat. Segons un treball publicat a l’International Journal of Satellite Communications and Networking, del qual un dels seus autors és Giuseppe Cocco, investigador del DTIC i del Centre Aeroespacial Alemany (DLR).
La Internet de les coses (IoT) és des de fa uns anys una realitat en constant evolució. La possibilitat que les màquines (nodes), puguin comunicar-se entre si, ha obert les portes a aplicacions que prometen tenir un impacte profund en les nostres vides. Entre aquestes hi ha el smart farming, la domòtica i les comunicacions entre automòbils.
Un dels elements fonamentals de la IoT és la comunicació sense fils entre màquines, coneguda com Machine-to-Machine (M2M) Communication. A diferència de les xarxes mòbils, com el 4G, o de les xarxes WIFi, una porció significativa de les comunicacions M2M es caracteritza per tenir velocitats de transmissió molt baixes, paquets de dades molt petits i un nombre enorme de dispositius. Aquestes característiques suposen un gran desafiament en termes de coordinació de xarxes de telecomunicació.
Una investigació recent presenta algorismes eficaços i de baixa complexitat perquè l’Internet de les coses per satèl·lit sigui cada vegada més accessible, gràcies a la implementació d’esquemes avançats d’accés aleatori per satèl·lit. La recerca es desenvolupa en un treball publicat a l’International Journal of Satellite Communications and Networking, del qual un dels seus autors és Giuseppe Cocco, investigador del Departament de Tecnologies de la Informació i les Comunicacions (DTIC) de la Universitat Pompeu Fabra i del Centre Aeroespacial Alemany (DLR), juntament amb investigadors de l’Agència Espacial Europea.
El nombre de sensors connectats al mateix satèl·lit pot ser extremadament alt
Suposem que un cultiu disposa d’un sensor d’humitat connectat a un satèl·lit que només transmet informació quan la humitat està per sota d’un cert llindar. Pot ser que durant molt de temps el sensor no enviï cap informació i que quan decideixi fer-ho la quantitat de dades sigui molt petita (tan sols d’uns bits). En aquest cas, el volum de dades de control necessaris per establir la connexió amb la xarxa satèl·lital pot ser superior a la quantitat de dades útils (payload) transmesos pel sensor.
Encara que això no sembli un problema si s’atén a un sol sensor, en el cas de xarxes satèl·litats el nombre de sensors connectats a un mateix satèl·lit pot ser extremadament alt. Tot i que cada sensor transmeti molt esporàdicament una petita quantitat de dades, el volum de trànsit total pot ser molt gran. D’altra banda, treure o disminuir informació de control en el tràfic M2M implicaria que els senyals dels diferents sensors podrien interferir entre sí, la qual cosa podria portar a una pèrdua d’informació enviada i, en cas de trànsit intens, fins a un col·lapse en la xarxa.
En aquest context s’entén com la informació de control al trànsit M2M és una despesa de recursos significativa però necessària per evitar les interferències, que pot comportar la necessitat d’utilitzar una major amplada de banda, satèl·lits més grans i costosos o un nombre major d’ells, un augment de el cost de la comunicació M2M i un impacte negatiu en el desenvolupament de la IoT.
Per solucionar aquest problema, en els últims anys s’han ideat nous sistemes avançats d’accés múltiple aleatori (random multiple access) que permeten limitar molt la informació de control sense perjudicar les prestacions de la xarxa. Aquests sistemes funcionen de forma contraintuitiva, és a dir, en lloc d’intentar evitar les interferències, les augmenten, deixant que cada node transmeti múltiples còpies del mateix missatge sense saber si algú més està transmetent en aquest mateix moment.
“El truc està en la manera en què el receptor explota aquesta interferència per netejar el senyal rebut extraient d’ella la informació útil”, explica Cocco. “Per tenir una idea de com funcionen aquests sistemes, es pot pensar en la manera en què es menja una carxofa: cada vegada que es treu una fulla es menja la part bona d’ella, però també s’alliberen les fulles que estan per sota, així que hi ha almenys una nova fulla que es pot treure cada vegada “, afegeix el coautor de l’article.
Diversos articles en revistes científiques internacionals han confirmat que el random multiple access basat en la transmissió de múltiples còpies de cada missatge és molt prometedor. De tota manera, aquests treballs fan servir simplificacions (necessàries per poder treballar de manera més senzilla amb equacions i simulacions) que no permeten avaluar les prestacions d’aquests sistemes en un entorn real, expliquen els autors del treball.
“La nostra aportació va més enllà d’aquestes simplificacions. Hem estudiat l’impacte que tindrien sobre el sistema en la seva totalitat diversos elements presents en els sistemes reals (com ara les imperfeccions en l’electrònica de baix cost típica de molts nodes IoT) i hem desenvolupat algorismes que permetin enfortir el sistema enfront d’ells. Amb això, hem posat un esforç particular en desenvolupar algorismes que siguin a el mateix temps eficaços i de baixa complexitat, perquè el IoT per satèl·lit sigui cada vegada més eficient i accessible per a tothom”, conclou Cocco.♦
Treball de referència: Marco Krondorf, Martin Goblirsch, Riccardo de Gaudenzi, Giuseppe Cocco, Nikolaos Toptsidis, Guray Acar (2019), “Towards the implementation of advanced random access schemes for satellite IoT”, International Journal of Satellite Communications and Networking, 24 de novembre, https://doi.org/10.1002/sat.1331
