Slotted ALOHA para redes sem fio com recursos escassos e energizadas via sinais de radiofrequência

Abstract

O crescente interesse da indústria no novo paradigma de redes conhecido como Internet das Coisas alavancou a demanda por dispositivos sem fio com capacidade de operação prolongada e para utilização em larga escala. Porém, a substituição manual das baterias, em redes com milhões ou até bilhões de dispositivos, gera um grande problema. Nesse contexto, a transferência de energia via sinais de radiofrequência emergiu como uma solução promissora tanto à problemática relacionada ao tempo de vida dos dispositivos quanto à substituição de suas baterias, dando origem às redes sem fio energizadas via sinais de radiofrequência. Nesse âmbito, propomos uma modificação do protocolo Slotted ALOHA para operar com transferência de energia via sinais de radiofrequência enviados por um ponto de acesso “híbrido” em uma rede formada por dispositivos sem fio com recursos escassos. Neste protocolo, o ponto de acesso híbrido utiliza um número específico e exclusivo de slots para transferir energia suficiente apenas para geração e tentativa de transmissão de um único pacote de dados por estação, que após a transmissão, entra em modo de dormência. Para isto, o ponto de acesso híbrido monitora o número de tentativas de transmissão no canal desde o último período de carregamento. Esse monitoramento é realizado estimando o número acumulado de estações que realizaram uma tentativa de transmissão. Devido à restrição de energia das estações, um limiar de tentativas de transmissão é estipulado para que ocorra o carregamento da rede via sinais de radiofrequência emitidos pelo ponto de acesso híbrido. Quando a contagem do número acumulado de tentativas de transmissão atinge ou ultrapassa o limiar estipulado, o ponto de acesso híbrido envia um sinal de despertar indicando o início do período de carregamento no slot seguinte. As estações alternam para o modo de coleta de energia assim que recebem o sinal de despertar. O sistema contempla dois modos de operação: Hold-Before-Charge (HBC) e Drop- Before-Charge (DBC). No modo de operação HBC, um pacote gerado no mesmo slot em que o sinal de despertar é enviado deve ser mantido no buffer do dispositivo e transmitido no início do slot imediatamente seguinte ao período de carregamento. Porém, no modo de operação DBC, um pacote gerado no mesmo slot em que o sinal de despertar é enviado deve ser descartado antes do período de carregamento. Este trabalho apresenta modelos analíticos baseados em cadeias de Markov para avaliar o desempenho de ambos os modos de operação considerando condições de canal ideais. Os modelos analíticos são validados via simulação Monte Carlo. Considerando aspectos da camada física, propomos também uma formulação matemática para obter o período médio de carregamento, e técnicas para estimar o número de transmissões simultâneas utilizando o método de estimação de máxima verossimilhança. O impacto do carregamento energético e das técnicas de estimação no desempenho do sistema considerando aspectos da camada física é avaliado via simulações. O desempenho do protocolo é estudado em termos de vazão normalizada sob diferentes condições de rede e valores de seus parâmetros de operação. Em particular, investigamos o comportamento da vazão da rede para diferentes valores do limiar de contagem de nós descarregados. O sistema operando no modo HBC apresenta melhor desempenho, porém demanda mais energia do HAP. O período médio de carregamento obtido dado os parâmetros do sistema é capaz de recarregar as estações com alta probabilidade. Por fim, a utilização das técnicas para estimar o número de transmissões simultâneas permite que o sistema atinja alto desempenho para a maioria dos valores de limiar.