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Comparación de Arquitecturas de las Redes de la Próxima Generación y Redes de Sensores Inalámbricos. CM-12 PON 44 Conference Paper · December 2016 CITATIONS

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2 authors: Maria Ruiz Soto

Eduardo Alvarez

Autonomous University of Baja California

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CM-12 PON 44

Comparación de Arquitecturas de las Redes de la Próxima Generación y Redes de Sensores Inalámbricos. M. J. Ruiz 1, E. Álvarez2 1,2

Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería Universidad Autónoma de Baja California

1,2 1,2

Calzada Universidad #14418 Parque Industrial Internacional Tijuana, B.C., C.P. 22390 1

[email protected], [email protected]

Resumen- La tendencia actual de las telecomunicaciones exige una baja complejidad de implementación y maximizar la interoperabilidad entre las redes heterogéneas. La arquitectura de las redes de la próxima generación NGN promete convertirse en el estándar a seguir en el mundo de las telecomunicaciones especialmente en lo que se refiere a la integración con redes de sensores inalámbricos WSN. Para explotar las oportunidades comerciales y de servicios, que permiten implementarse mediante WSN, se analiza, ambas arquitectura, para así identificar elementos convergentes. Se concluye que es posible migrar la arquitectura WSN de 4 capas a la arquitectura de 2 capas de NGN, donde las capas de red, control de acceso al medio y física de WSN tiene similitud con la capa de transporte de NGN y las funciones de la capa de aplicación de WSN con la capa de servicio de NGN, abriendo un potencial área de oportunidad en servicios de WSN.

I. INTRODUCCIÓN La evolución de las telecomunicaciones en México, dentro del marco de la Ley Federal de Telecomunicaciones, ha marcado un hito dentro de la aplicación y aprovechamiento comercial de las telecomunicaciones. Con el fin de aprovechar las actuales tendencias de las telecomunicaciones, se busca que los sistemas y protocolos de comunicación cuenten con una baja complejidad, para desarrollar aplicaciones comerciales que aprovechen al máximo las redes sin ningún inconveniente. Desde una perspectiva de integración de servicios y sistemas diversos, existe una veta de interés a través de Internet de las Cosas (IoT, Internet of Things); sin embargo los sensores o elementos requeridos para los servicios de IoT exigen una interoperabilidad entre ROC&C’2016  CM-12 PONENCIA RECOMENDADA POR EL CAPITULO DE COMUNICACIONES DEL IEEE SECCION MEXICO Y PRESENTADA EN LA REUNION INTERNACIONAL DE OTOÑO, ROC&C’2016, ACAPULCO GRO., DEL 27 DE NOVIEMBRE AL1 DE DICIEMBRE DEL 2016.

redes y componentes que debido a su heterogeneidad, en este momento no es posible interconectar de una manera simple. Se estima que la integración de elementos en el IoT, se convertirá con el tiempo en una tendencia con posibilidad de ofrecer servicios desde tipo médico hasta de comodidad en el hogar. Con este precedente, la arquitectura de las Redes de la Próxima Generación NGN (Next Generation Networks) se inclina a ser la más adecuada para presente y futuras aplicaciones, ya que en su concepción, ofrece una clara división entre la aplicación y la red, y gesta condiciones para que la aplicación no dependa de la arquitectura de red subyacente. La principal diferencia entre los servicios de telecomunicaciones tradicionales y una NGN, es el cambio de redes específicas de aplicaciones integradas separadas verticalmente a una sola red capaz de llevar cualquier y todo tipo de servicio [1]. Las NGN están dirigidas a garantizar la mayor cantidad posible de aplicaciones multimedia actuales y futuras. La Ley Federal de Telecomunicaciones y Radiodifusión LFT contempla ya ésta división, permitiendo ofrecer el servicio de comunicaciones (Red), y ser prestador de servicios específicos (Aplicación), definiendo el servicio de interconexión que es utilizado por las compañías telefónicas para poder enlazar sus redes con las de otros operadores. Permitiendo asegurar que cualquier comunicación llegue a su destino final, es decir, que el usuario de una red pueda comunicarse con el usuario de otra red, con independencia de cuál sea su proveedor de servicios. Actualmente las Redes de Sensores Inalámbricos WSN (Wireless Sensor Networks) son una tecnología con una amplia variedad de aplicaciones tanto en la industria como en la investigación. La arquitectura de WSN típicamente considera 4 capas, cuya estrategia de funcionamiento, debe adecuarse a la estructura de NGN's, por lo que surge la inquietud por saber si es posible migrar éstos elementos al modelo de arquitectura NGN, o bien si se requieren

modificaciones para simplificar la transición de las WSN a las NGN dentro de IoT. IoT pretende conectar cualquier cosa en cualquier lado de una manera eficiente y con un bajo costo. Las características de IoT son, eficiencia energética (batería de larga vida), baja complejidad, largo alcance, alta fidelidad y latencia ultra baja. Con el fin de integrar ésta visión, es necesario conocer las características de las redes NGN y en el contexto del IoT, las características típicas de la tecnología con la que actualmente se cuenta, por lo que, en la siguiente sección se describe la arquitectura de NGN, en la sección III se explica la arquitectura del estándar IEEE 802.15.4/ZigBee el cual es el de mayor uso en WSN para así en la sección IV identificar y ver si es posible lograr la migración de la arquitectura WSN a NGN, similitudes y diferencias entre las dos arquitecturas en la sección IV y presentando las conclusiones en la sección V. II.

corresponda. Las funciones de las capas individuales dentro de las NGN pueden no corresponder a las del modelo OSI. En el sistema de capas de NGN los servicios y las funciones están relacionadas entre sí, ya que las funciones se utilizan para construir servicios. Se puede suponer que los sistemas basados en el Protocolo de Internet IP serán la base de NGN. La ITU-T en la recomendación Y.2011 desarrolla un modelo de alto nivel, que se muestra en la Fig. 1 [1].



REDES DE LA PRÓXIMA GENERACIÓN NGN.

La ITU-T define a las Redes de Próxima Generación como [2]: Se trata de una red de paquetes capaz de proporcionar servicios de telecomunicaciones y apta para hacer uso de múltiples calidades de servicio (QoS, Quality of Service) de banda ancha habilitadas en tecnologías de transporte. En la recomendación Y.2001 ITU-T se provee una definición más amplia de NGN [1]: Es una red basada en paquetes capaz de proporcionar servicios de telecomunicaciones, y apta de hacer uso de múltiples tecnologías de transporte habilitadas para QoS de banda ancha y en la que las funciones relacionadas con el servicio son independientes de las tecnologías relacionadas con el transporte subyacentes. Se permite al usuario el acceso sin restricciones a las redes y a los proveedores y/o servicios de su elección de la competencia. Se soporta movilidad generalizada que permitirá la prestación coherente y ubicua de servicios a los usuarios. De lo anterior, los puntos importantes es que no se selecciona tecnologías ni características específicas para las NGN, y las funcionalidades de QoS son cruciales en esta arquitectura. Las cuestiones importantes de NGN son:  La separación entre los servicios y el transporte.  La adición de calidad de servicio (QoS) para el transporte basado en IP.  La capacidad de proveer servicios innovadores, permitiendo a los proveedores de servicios establecerse fácilmente, y a los usuarios elegir libremente los servicios que deseen.  La extensión de la movilidad entre los sistemas fijos y móviles, y entre los sistemas fijos según

Figura 1: Modelo general de NGN [1].

Bajo estos criterios, resulta conveniente identificar las características de la arquitectura en las NGN, con el fin de reconocer las potencialidades y diferencias que se pueden presentar respecto a otro tipo de arquitecturas. II.1 Arquitectura de las Redes de la Próxima Generación NGN. Los servicios NGN incluyen aquellos basados en sesión, como la telefonía IP, videoconferencia y video chat, así como los servicios no basados en sesión, tales como video streaming y broadcasting. Además, las NGN soportan Red telefónica conmutada pública/Red digital de servicios integrados PSNT/ISDN (Switched Telephone Network/Integrated Services Digital Network). La Fig. 2 muestra una visión en conjunto de la arquitectura NGN [1].

II.1.1 Estrato de Transporte.

Figura 2: Descripción de la Arquitectura NGN [1].

El Estrato de Transporte (Transport Stratum) se encarga de mantener la conectividad de extremo a extremo de acuerdo con los requisitos de servicio, la capacidad de terminal y de recursos. La red debe ser capaz de controlar los flujos de tráfico de acuerdo a la calidad de servicio requerida, la cual depende de la prestación del servicio (ejemplo: voz, video streaming, navegación por la web, descargas de correo electrónico) y de la terminal del usuario (ejemplo: usuario accediendo a la red por medio de su smartphone, pc o laptop). También proporciona interfaces apropiadas a la capa de estrato de servicios que puede obtener información sobre la capacidad de transporte, instalación y conexión de extremo a extremo en la red con ciertos requisitos de QoS, tener información sobre el estado de las conexiones activas, cerrar una conexión activa, cambiar el nodo de salida para las conexiones activas. El Estrato de Servicio (Service Stratum) es la responsable de permitir la creación y entrega de servicios y aplicaciones. Las principales funciones de este estrato son la autenticación de usuario, establecimiento de llamada, la administración de grupos de usuarios, la administración del perfil de usuario, mensajería, servicio de streaming, servicio de video, administración de la movilidad, servicios de la nube, entre otros. Las Funciones de Aplicación (Application functions) se compone de servidores que pueden utilizar varios conjuntos de interfaz de programación de aplicaciones, API (por su siglas en inglés, Application Programming Interface) para descubrir y utilizar los habilitadores disponibles, y finalmente para crear su propio servicio, aplicación o contenido. Y por último, las Funciones de Administración (Management functions) de las NGN permiten al operador gestionar la red y proporcionar servicios NGN con la calidad esperada, seguridad y fiabilidad. Las funciones de administración incluyen la facturación y cobro.

El Estrato de Transporte proporciona conectividad para todos los componentes y funciones separadas físicamente dentro de la NGN. El protocolo IP es reconocido como la tecnología de transporte más prometedora para las NGN. Así, el estrato de transporte proporciona la conectividad IP tanto para el usuario final fuera de la NGN, como a los controladores y facilitadores que normalmente residen en servidores dentro de la NGN. El estrato de transporte es responsable de proporcionar la calidad de servicio extremo a extremo, que es característica deseable de la NGN. El estrato de transporte está dividido en Redes de Acceso y Red Núcleo. Funciones de Acceso (Access Functions): Administran el acceso del usuario final a la red, dependen de la tecnología de acceso. Las redes de acceso incluyen funciones relacionadas con el acceso por cable, tecnología DSL, tecnología inalámbrica, tecnología Ethernet y acceso óptico. Funciones de Transporte de Acceso (Access Transport Functions): Estas funciones son responsables de transportar la información a través de la red de acceso. También proporcionan mecanismos de QoS que tratan directamente con el tráfico de usuarios. Funciones de Borde (Edge Functions): Se utilizan para el procesamiento de tráfico, cuando el tráfico de acceso se combina en la red central. Funciones de Núcleo de Transporte (Core Transport Functions): Estas funciones son responsables de garantizar el transporte de información en toda la red núcleo. Proporcionan el medio para diferenciar la calidad de transporte en la red, de acuerdo a las interacciones con las funciones de control de transporte. Funciones de Control de Conexión a la Red (Network Attachment Control Functions): Estas funciones proporcionan registro en el nivel de acceso y la inicialización de las funciones de usuario final para acceder a los servicios NGN. Proporcionan la identificación y autenticación a nivel de red, gestionan el espacio de direcciones IP de la red de acceso, y autentican sesiones de acceso. También anuncian el punto de contacto del servicio NGN y las funciones de aplicación para el usuario final. Las funciones de control de conexión de red ayudan al equipo del usuario final en el registro y comenzar el uso de la NGN. Funciones de Control de Admisión y Recursos RACF (Resource and Admission Control Functions): Proporcionan funcionalidades de control de admisión y control de puerta, incluyendo control de direcciones de red y traducción de puerto. El control de admisión implica comprobación de autenticación basada en

perfiles de usuario, a través de las funciones de control de conexión de red. También implica la autorización en base a los perfiles de usuario, teniendo en cuenta las reglas de las políticas específicas del operador y la disponibilidad de recursos. Las RACF interactúan con las funciones de transporte para controlar una o más de las siguientes funcionalidades en la capa de transporte: filtrado de paquetes, clasificación del tráfico, marcaje y vigilancia, reserva y asignación del ancho de banda, evitar la suplantación de direcciones IP y medición de uso. Funciones del Perfil de Usuario de Transporte (Transport User Profile Functions): Este bloque funcional representa la recopilación de datos del usuario y otros de control en una sola función que el perfil de usuario en el estrato de transporte. Funciones de Pasarela (Gateway Functions): Estas funciones proporcionan capacidades para trabajar con otras redes, incluyendo muchas redes existentes, como PSTN/ISDN y las redes basadas en Internet. Incluso ofrecen soporte para el interfuncionamiento con otras redes NGN que pertenecen a otros administradores. Funciones para el Manejo de Medios (Media Handling Functions): La serie de funciones para el manejo de medios son los procesos de recursos para la prestación de servicios, tales como la generación de señales de tono, transcodificación y puente de conferencias. II.1.2

Estrato de Servicio

Estas funciones proporcionan servicios basados en sesión y en no sesión, incluyendo suscripción y notificación de presencia de información, y un método de mensajes para el intercambio de mensajes instantáneos. Las funciones de estrato de servicio también proporcionan toda la funcionalidad de la red asociada con los servicios existentes PSTN/ISDN, capacidades e interfaces con el equipo del cliente. Funciones de Servicio y Control (Service and Control Functions): Estas funciones incluyen las funciones de control de sesión, una función de registro, funciones de autenticación y autorización en el nivel de servicio. Funciones de Servicio de Perfiles de Usuario (Service User Profile Functions): Estas funciones representan la recopilación de datos de usuario y otros datos de control en una única función de perfil de usuario en el estrato de servicio. Funciones de Aplicación (Application Functions): Las NGN soportan APIs abiertas permitiendo a los proveedores de servicio de terceros aplicar las capacidades de las NGN para crear mejores servicios para los usuarios. Dado el caso en que éstas funcionalidades estén presentes en las redes, es conveniente conocer los

requerimientos que exigirán las redes de sensores inalámbricos, para identificar áreas de oportunidad para la integración de las WSN a las redes NGN en contexto de IoT. III. REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS Con los recientes avances en la tecnología de microsistemas electromecánicos MEMS (Microelectromechanical systems), y de sistemas en Chip (SoC’s) las comunicaciones inalámbricas, la electrónica digital, el diseño y desarrollo de bajo costo, bajo consumo de energía, los nodos sensores multifuncionales pequeños y que se comunican inalámbricamente en distancias cortas se han convertido en productos comerciales factibles. La inclusión de cada vez mayores capacidades de estos nodos de sensores diminutos, como la detección y sensado, algoritmos de control, procesamiento de datos, y comunicación, permiten la implementar redes de sensores inalámbricos (WSN), basados en la colaboración de un gran número de nodos sensores [3], acercando cada vez más la promesa de los sistemas de cómputo ubicuo, a las aplicaciones comerciales. Actualmente algunas WSN se componen de sensores inalámbricos embebidos desplegados en una zona en particular, que permiten el monitoreo de una o varias variables físicas (como el monitoreo de salud, o sistemas de seguridad, o sistemas domóticos). Entre las diversas tecnologías que pueden emplearse en una WSN, la más popular es el estándar ZigBee, por lo cual en éste trabajo se revisa sus características, de modo que sea posible ofrecer una migración a los servicios que dependen de ésta tecnología, en un futuro no muy lejano. ZigBee es una tecnología de red inalámbrica desarrollada por ZigBee Alliance para aplicaciones con baja tasa de datos y corto alcance. La pila de protocolo de ZigBee está compuesta por cuatro principales capas, que son Capa Física PHY (Physical Layer) , la Capa de Control de Acceso al Medio MAC (Medium Access Control) ambas basadas en el protocolo IEEE 802.15.4. ZigBee desarrolla la Capa de Red NWK (Network Layer) y la Capa de Aplicación APL (Application Layer), en la Fig. 3 se presenta la pila de protocolo [4]. A continuación se describe cada una de las funciones de la arquitectura del protocolo ZigBee. III.1 Capa Física PHY. La Capa Física de IEEE 802.15.4 está diseñado para soportar comunicaciones en distancias cortas, baja tasa de datos, bajo costo en aplicaciones de consumo de energía reducido [5]. Esta es la capa más cercana al hardware y directamente controla y se comunica con

el transceptor de radio. La capa PHY es responsable de activar el radio transmisor y/o receptor de paquetes. La PHY también selecciona la frecuencia del canal y se asegura de que dicho canal este libre [6].

utilizando el conjunto de protocolos de comunicación conforme de un mismo estándar, es esencial para la adopción comercial amplia del estándar [5]. Una capa de Soporte de Aplicación APS (Application Support) es generalmente necesaria en el enfoque orientado a objetos para proveer vinculación y servicios de tunelizado (Tunneling, tecnología que permite el traspaso de datos entre 2 redes pasando por otra red). IV. NGN y WSN

Figura 3: Arquitectura del Protocolo ZigBee [4].

III.2 Capa de Control de Acceso al Medio MAC. La Capa de Control de Acceso al Medio (MAC) proporciona la interfaz entre la capa PHY y la capa NWK. La MAC es responsable de la generación de beacons y sincronizar el dispositivo a los beacons (en una red beacon - habilitado). La MAC también proporciona servicios de asociación y disociación [6]. III.3 Capa de Red NWK.

En las secciones anteriores se describieron las arquitecturas de NGN y WSN, dichas arquitecturas no emplean el modelo de referencia OSI, en su lugar utilizan una arquitectura de 2 y 4 capas, en NGN y WSN, respectivamente, para así permitir la interoperabilidad entre las distintas tecnologías y un usuario pueda conectarse a la red sin ningún inconveniente. Siguiendo la tendencia, se considera importante que la arquitectura de las WSN puede ser compatible en las NGN, por lo que en la Fig. 4 se muestra una descripción general de las funciones de cada capa de las arquitecturas de las NGN y WSN. Donde observa que las funciones de la capa física, capa de control de acceso al medio y capa de red de las WSN son similares a las que realiza la capa de transporte de las NGN, mientras que la capa de aplicación de WSN presenta funciones semejantes que la capa de servicio de NGN.

La Capa de Red NWK proporciona la interfaz entre la MAC y la capa de aplicación APL, y es responsable de gestionar la formación de la red y el enrutamiento. El coordinador ZigBee en la capa NWK es responsable de establecer una nueva red y la selección de la topología de red (estrella, árbol, o mesh). El coordinador ZigBee también asigna las direcciones NWK a los dispositivos en su red [6]. III.4 Capa de Aplicación APL. La capa de aplicación APL es la capa superior del protocolo de la red inalámbrica ZigBee y alberga los objetos de aplicación. Los fabricantes producen los objetos de aplicación para personalizar un dispositivo para diversas aplicaciones [6]. La Capa de Aplicación Orientada a Objetos, encapsula la información al ocultar los detalles de implementación complicados y resaltando la robustez, reutilización, y la facilidad de mantenimiento de los sistemas. La orientación a objetos en la capa de aplicación también mejora la interoperabilidad entre diferentes productos de los vendedores. Interoperabilidad de un estándar, se refiere a la capacidad de dos o más dispositivos de comunicarse

Figura 4: Descripción de las capas las arquitecturas de NGN y WSN.

Por lo que se podría considerar adaptar la arquitectura de la WSN a la de las NGN (Fig. 5). Un punto importante a considerar es que la tecnología IEEE 802.15.4/ZigBee no considera en la capa de red el protocolo IP, mientras que las NGN la capa de transporte está basada principalmente en el protocolo IP, por lo que es importante considerar estándares como 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) que emplea el estándar IEEE

802.15.4 para las definiciones de capa física y MAC pero agrega una capa de adaptación entre la capa de Red y la capa correspondiente a IP que facilita la transmisión de los datagramas IPv6 sobre IEEE802.15.4. O bien generar pasarelas de protocolo que ofrezcan la traducción entre ambas.

comercial considerable. REFERENCIAS [1] Knightson, K. and Morita, N. and Towle, T., "NGN architecture: generic principles, functional architecture, and implementation", Communications Magazine, IEEE (2005), 49-56. [2] Branca, G. and Atzori, L., "A Survey of SOA Technologies in NGN Network Architectures", Communications Surveys Tutorials, IEEE (2012), 644-661. [3] Ian F. Akyildiz, "Wireless Sensor Networks", John Wiley and Sons (2010).

Figura 5: Similitudes entre las arquitecturas NGN y WSN.

V. CONCLUSIONES Los avances tecnológicos en las redes de telecomunicaciones, se enfocan, cada vez más, en los servicios y aplicaciones que pueden ofrecerse. La evidencia podemos notarla en aplicaciones de realidad aumentada, y el consumo de servicios de redes, que incluyen localización personal, y acceso a servidores remotos. Comercialmente el potencial del Internet de las Cosas, cuenta con una línea de aplicación considerable, y la capacidad de integración de los elementos que permiten su implementación, a las redes de telecomunicaciones (particularmente las NGN’s) se pueden convertir en una nueva vertiente de explotación comercial y de nuevos servicios. Servicios que hoy en día pueden iniciarse y que es conveniente proteger, conociendo la posible evolución de las redes de telecomunicaciones y preparándose para el futuro de la tecnología. El potencial comercial de México y América Latina, dentro del IoT, se encuentra en una etapa inicial, y es conveniente contar con estándares y diseños que no dependan de otros países para su implementación y explotación. El estado actual de las redes y la LFT permiten identificar que las WSN son susceptibles de implementar y migrar desde un modelo de 4 capas a la arquitectura de 2 capas de NGN, gestando una potencial explotación de servicios mediante la capa de aplicación y de servicios, definidos por el estándar ZigBee. Si bien las NGN tienen como base el protocolo IP para nivel de transporte, y actualmente algunas WSN no lo consideran, existe un desarrollo de estándares que consideran una quinta capa (entre la capa de red y aplicación) para implementar el protocolo IP en las WSN, como es el caso de 6LoWPAN; por lo que es el desarrollo de pasarelas de protocolo para la integración en NGN's, será un paso clave en el desarrollo de nuevas aplicaciones en servicios de telecomunicaciones, que promete ser una veta

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[4] C. Gomez and J. Paradells, "Wireless home automation networks: A survey of architectures and technologies", IEEE Communications Magazine (2010), 92-101. [5] Q. Wang and J. Jiang, "Comparative Examination on Architecture and Protocol of Industrial Wireless Sensor Network Standards", IEEE Communications Surveys Tutorials (2016), 21972219. [6] Shahin Farahani, "ZigBee Wireless Networks and Transceivers", Elsevier (2008). . Maria J. Ruiz Soto es Ingeniero en Electrónica (UABC), con M. en Ciencias en Telecomunicaciones (CITEDI-IPN). Estudiante de Doctorado en Ciencias en Electrónica (UABC).

Eduardo Alvarez obtained his Mechanical Electrical Engineering BSE degree from the University of Mexico (UNAM, Mexico) in 1989, his MSc and PhD in Electronics and Telecommunications from the CICESE research center in 1999 and 2004 respectively. He currently is a full-time professor in Tijuana for the Universidad Autónoma de Baja California (UABC, in Calzada Universidad #14418, Parque Industrial Internacional, Tijuana, B.C., C.P. 22390. . His professional interest includes communications, and short-wave radio.