Optimización de energía y eficiencia de transmisión con análisis de imparcialidad en comunicaciones inalámbricas adaptativas

Resumen

Las redes inalámbricas se caracterizan por utilizar un medio de transmisión dinámico, en el que las condiciones de transmisión cambian de forma continua. Este cambio continuado lleva a diseñar los sistemas de comunicaciones desde dos puntos de vista. El más elemental es diseñar nuestro sistema para el caso peor. Aunque sencilla, esta solución lleva aparejado un sobredimensionamiento de los recursos empleados; si consideramos por ejemplo la potencia de transmisión, este sobredimensionamiento resultará, entre las consecuencias más inmediatas, en mayores interferencias y mayor consumo de energía (y por tanto menor duración de las baterías en sistemas así alimentados). Frente al anterior enfoque, la transmisión adaptativa permite adecuar los parámetros de transmisión a las condiciones del canal. El objetivo de esta tesis es proponer esquemas de transmisión adaptativos para sistemas inalámbricos que, bien mejoran técnicas existentes, como veremos para redes de sensores, o bien resuelven problemas nuevos, como la optimización de la eficiencia de transmisión de una estación base. Contribuimos por tanto al desarrollo de técnicas de transmisión adaptativa en redes inalámbricas para conseguir sistemas eficientes en energía y en tasa de transmisión. Para ello, previamente realizamos un recorrido por las técnicas existentes de transmisión adaptativa (capítulo 2) y presentamos las herramientas matemáticas que se utilizarán para resolver los problemas de optimización que resultan de las técnicas propuestas (capítulo 3). La transmisión eficiente en energía que proponemos tiene como objetivo optimizar la energía total de transmisión del enlace ascendente para un sistema centralizado, con comunicaciones de salto único. Se asume que la red es heterogénea, lo que se traduce en que cada nodo tendrá unos requisitos diferentes de calidad de servicio en función de la aplicación que se ejecute en cada nodo. La calidad de servicio vendrá expresada mediante la tasa de error de símbolo y una tasa de transmisión de bit. La optimización propuesta se basa en un esquema de modulación cross-layer que asigna adaptativamente la duración de los intervalos de transmisión, y por tanto los bits por símbolo a transmitir, cumpliendo con la calidad de servicio exigida. Este esquema lo particularizamos para redes inalámbricas de sensores. La optimización de la eficiencia de transmisión (o goodput) para el enlace descendente entre una estación base y los usuarios que de ella dependen, la realizaremos mediante la asignación de los recursos disponibles: subcanal (entendido como agrupación de subportadoras), potencia y tasa de bit por símbolo. El modelo del sistema implementa un mecanismo de control de imparcialidad que evita que resulten beneficiados aquellos usuarios que presenten unas condiciones más favorables de transmisión. Para resolver la asignación de recursos, se proponen dos esquemas: un esquema de asignación en dos pasos que reduce la complejidad del problema de asignación inicial, y un esquema subóptimo, orientado a la implementación práctica, que permite una reducción muy considerable de la carga computacional, sin una degradación apreciable del rendimiento respecto al óptimo.------------------------------------------------------------------------------------