Diseño y evaluación de protocolo de acceso múltiple para sistema de IoT nanosatelital

Abstract

El advenimiento de las redes inalámbricas 5G, con el consecuente papel protagónico de la Internet de las cosas (IoT) y las comunicaciones entre máquinas (M2M por sus siglas en inglés), están impulsando a las tecnologías satelitales a desempeñar un papel importante como parte de la infraestructura de telecomunicaciones que soporta los servicios de IoT. En particular, el uso de un satélite, o varios (i.e., una constelación), para servicios IoT permiten una cobertura completa sobre sensores y nodos en áreas remotas que no están cubiertas por redes de acceso terrestre. Hasta hace algunos años el acceso a los servicios satelitales había sido una solución excesivamente costosa. Sin embargo, actualmente se construye y se despliega una nueva ola de satélites pequeños de bajo costo, conocidos como CubeSats. Estas aeronaves brindan cobertura a través de constelaciones a una fracción del costo de los tradicionales, abriendo oportunidades para empresas emergentes y países en desarrollo a hacer uso del espacio. Considerando lo anterior, se aborda el desafío de comunicar un gran cantidad de nodos terrestres con un satélite CubeSat para proveer servicios de conectividad IoT. Las restricciones impuestas por esta tecnología de bajo costo, en conjunto con los requerimientos relacionados a un servicio IoT, plantean un gran reto cuando se afronta desde la perspectiva dar conectividad a una cantidad masiva de usuarios. Lo anterior, se relaciona directamente con la capa de Control de Acceso Múltiple (MAC, por sus siglas en inglés), encargada de gestionar los recursos del canal para la realización de una comunicación eficiente entre muchos interlocutores. Con esto, el escenario de interés en esta memoria considera el problema del control de acceso al medio en una constelación LEO (satélites de órbita baja, con sus singlas en inglés) de nanosatélites con un único canal halfduplex utilizado para recopilar información de miles de sensores en todo el mundo. Sistemas satelitales anteriores (como Argos o Globalstar, por ejemplo) emplean algoritmos MAC simples o poco escalables (como Aloha y CDMA, respectivamente) para la coordinación de las comunicaciones de nodo a satélite. Otras propuestas y adaptaciones de los algoritmos MAC abordan el problema de la escalabilidad sin penalizar la tasa de entrega de datos, sin embargo, esos protocolos están diseñados principalmente para sistemas sin altas restricciones en la capacidad de procesamiento o en el número de canales disponibles. En el presente trabajo de título se propone un nuevo protocolo MAC, diseñado tomando en cuenta que se cumplan los requerimientos en rendimiento, que mantenga la escalabilidad necesaria para el servicio masivo de sensores/actuadores de IoT y que su implementación se adecúe a las restricciones impuestas por la tecnología utilizada en CubeSats.