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El concepto del usuario en el bucle para mejorar el rendimiento del sistema dando ocasionalmente instrucciones al usuario.

User-in-the-Loop ( UIL ) se refiere a la noción de que una tecnología (por ejemplo, una red) puede mejorar un objetivo de desempeño al involucrar a sus usuarios humanos ( Capa 8 ). La idea se puede aplicar en varios campos tecnológicos. UIL asume que los usuarios humanos de una red se encuentran entre las unidades más inteligentes pero también más impredecibles de esa red. Además, los usuarios humanos a menudo tienen un cierto conjunto de valores (de entrada) que sienten (más o menos observan, pero también es imaginable una retroalimentación acústica o háptica: imagine un pedal de acelerador en un automóvil que da cierta resistencia, como para un speedomat). Tanto los elementos de la toma de decisiones inteligente como los valores observados pueden ayudar a mejorar el objetivo más amplio.

Los valores de entrada están destinados a alentar / desalentar a los usuarios humanos a comportarse de ciertas formas que mejoran el rendimiento general del sistema. Un ejemplo de una implementación histórica relacionada con UIL ha aparecido en las redes de energía eléctrica donde se presenta un cuadro de precios a los usuarios de energía eléctrica. Este gráfico de precios distingue los valores de la electricidad en función de los períodos pico, medio y pico, por ejemplo. Pero este es un control de bucle abierto. UIL en realidad permite el control de bucle cerrado, es decir, tener al usuario en el bucle. [ aclarar ]Frente a un patrón de precios no homogéneo, los usuarios humanos responden cambiando su consumo de energía en consecuencia, lo que eventualmente conduce a una mejora general del acceso a la energía eléctrica (reducir el consumo en las horas pico). Recientemente, UIL también se ha introducido para telecomunicaciones inalámbricas (redes celulares). [1] [2]

Los recursos inalámbricos, incluido el ancho de banda (frecuencia), son un recurso cada vez más escaso y, si bien la demanda actual en la red inalámbrica está por debajo de la oferta en la mayoría de los tiempos (capacidad potencial de los enlaces inalámbricos en función de las limitaciones tecnológicas), el aumento rápido y exponencial de la demanda hará que el acceso inalámbrico sea un recurso cada vez más caro en unos pocos años. Si bien las respuestas tecnológicas habituales a esta perspectiva, como las nuevas generaciones innovadoras de sistemas celulares, las asignaciones de recursos más eficientes, la radio cognitiva y el aprendizaje automático son ciertamente necesarias, parece que ignoran un recurso importante en el sistema, a saber, los usuarios. Se puede alentar a los usuarios inalámbricos a cambiar su "comportamiento inalámbrico" mediante la introducción de incentivos, por ejemplo, precios diferenciados. [3] Además, la creciente preocupación por el medio ambiente y los efectos ambientales considerables pero invisibles del uso inalámbrico pueden aprovecharse para convencer al usuario "más ecológico" de que cambie su comportamiento inalámbrico para reducir su huella de carbono.

El UIL utilizado en las comunicaciones inalámbricas se conoce como Smart Grid of Communications. Su objetivo es evitar una ubicación de mala adaptación de enlaces o uso excesivo durante la hora punta .

Resumen [ editar ]

Independientemente de las diversas formas de otorgar incentivos y sanciones, el resultado del bloqueo del usuario es espacial, temporal o no reacciona en absoluto. UIL espacial significa que el usuario cambia de ubicación a una mejor (como la práctica común en las redes WiFi). UIL temporal significa que la demanda se evita en el momento actual (continuará en otro momento, se abandonará o se descargará a la red cableada en el hogar). El incentivo suele ser una tarifa completamente dinámica. Esto da forma a la demanda de los usuarios durante la congestión.UIL tiene como objetivo estabilizar la demanda de tráfico a un nivel sostenible por debajo de la capacidad. En las redes celulares, ayuda a mantener el tráfico por debajo de la capacidad en todo momento.

Control espacial de UIL [ editar ]

La perspectiva general de UIL se muestra en la figura. En el concepto de UIL , el controlador brinda la información necesaria al usuario, por lo que se espera que el usuario cambie voluntariamente su ubicación actual del punto A al B. La calidad de la señal actual en el punto A y / o la eficiencia espectral allí se conocen por el controlador. Además, la calidad media de la señal y / o la eficiencia espectral se conocen para todas las ubicaciones de la red a partir de una base de datos de medidas anteriores. Después de eso, la red proporciona la información necesaria y sugiere mejores posiciones al usuario. Antes del movimiento, el usuario conoce su ventaja de utilidad entre los puntos B y A. Esta utilidadLa ventaja puede ser económica (descuento para llamadas de voz) y / o una mayor velocidad de datos (tráfico de datos de mejor esfuerzo). La red proporciona la información sobre dónde (en qué dirección hacia qué ubicación) moverse. Antes de tomar su decisión, el usuario debe tener toda la información necesaria (tasa de descuento, tasa de datos aumentada, qué tan lejos está el siguiente paso mejorado). Al final, una cierta parte de los usuarios participa en la mudanza y el resto permanece en su lugar, lo que incluye a todos los usuarios que no pueden moverse, no quieren moverse o no tienen suficientes incentivos para moverse. El bloque de usuario en la figura genera la nueva ubicación B, si el usuario decide moverse. Esta probabilidad depende de la distancia y la utilidad del incentivo dada.La eficiencia espectral objetivo es la eficiencia espectral mínima que el usuario debe lograr después del movimiento (el valor objetivo debe ser mayor que el actual).[4]

Control temporal de UIL [ editar ]

El aumento de la demanda en las redes celulares está impulsado por una política de precios de tarifa plana. Promueve distribuciones de tráfico de colas pesadas y conduce a un aumento ilimitado de la demanda. Hoy en día, la política de precios está comenzando a cambiar debido al aumento ilimitado de la demanda. Finalmente, algunos operadores comenzaron a cobrar una tarifa plana con un tope, pero esta es una solución temporal. En la literatura se sugiere una solución más elaborada, la fijación de precios basada en el uso, pero por sí sola no resuelve el problema de la congestión en las horas punta. Un paso más en UIL , se sugiere un precio basado en el uso totalmente dinámico. [3]Este precio dinámico se muestra en un terminal de usuario (UT) para que el usuario pueda decidir si utilizar o no el servicio. La idea principal es muy clara, el usuario generará menos tráfico cuando suba el precio de la sesión. Como resultado, el método de fijación de precios cambiará el comportamiento del usuario y el tráfico como en las tarifas eléctricas y las aplicaciones de redes inteligentes e incluso mejor que allí, debido a la retroalimentación inmediata y la latencia en el orden de segundos, lo que permite una mejor respuesta y capacitación. .

Beneficios [ editar ]

Las aplicaciones User-in-the-Loop son posibles en todos los campos donde se consumen recursos limitados y donde se debe evitar un impacto negativo para la sociedad o el medio ambiente, por ejemplo, el consumo excesivo de energía y combustibles fósiles.

Las razones para usar UIL son múltiples. En las comunicaciones inalámbricas, existe un problema creciente con el aumento de las tasas de datos en los próximos 10 años. [5] [6] [7] [8] Los teléfonos inteligentes y los dongles para computadoras portátiles continuarán aumentando el tráfico en un 100% por año, una tendencia que ya se ha observado en los últimos 5 años. El enfoque tradicional de sobredimensionar la capacidad para transportar todo el tráfico se volverá más difícil, ya que 4G, 5G y más nunca podrán satisfacer la demanda a este ritmo de aumento. [9]El consumo de energía y la ecología también son cada vez más importantes en el futuro. Cualquier aumento de capacidad que proporcionará la tecnología, pronto será devorado por un tráfico cada vez más rápido. Los nuevos enfoques requieren gastar aún más dinero y energía, por ejemplo, en picocélulas y femtocélulas. El enfoque UIL es ortogonal y no requiere más CAPEX y potencia [ aclarar ] .UIL puede aumentar la eficiencia espectral en cantidades sustanciales. [2]

Incentivos [ editar ]

La interfaz entre el controlador de UIL y la carpeta de usuario consta de información e incentivos. La información es simplemente el conocimiento de que un cambio en la producción del usuario sería beneficioso (para el sistema, la comunidad, la sociedad). Sin embargo, en la mayoría de los casos se puede requerir un incentivo adicional para que el usuario cambie realmente su comportamiento predeterminado, porque el altruismo no es lo suficientemente amplio y la gente tiende a preferir estrategias egoístas en sociedades libres (ver teoría de juegos ). Este dilema se llama Tragedia de los comunes . Por tanto, es racional asumir el modelo homo economicus impulsado por una maximización de la utilidad en el primer orden y homo reciprocans solo para efectos de segundo orden.

Los incentivos pueden ser por aspectos financieros (tarifa de uso más barata) u otras bonificaciones beneficiosas que pueden ser convertibles en dinero o no. Un ejemplo son las millas de un programa de viajero frecuente por cada movimiento espacial que realiza el usuario. Otro beneficio en una red inalámbrica es otorgar al usuario una tasa de bits más alta , pero solo para el usuario conforme. Los incentivos negativos también son posibles en forma de sanciones, pero la psicología sugiere que los incentivos positivos funcionan mejor. Se podría aplicar una penalización cuando el uso del sistema sea malo para el objetivo total en el momento o ubicación actual (hora punta, situación de congestión, mala adaptación del enlace), para evitar que el usuario utilice el sistema en estas circunstancias. En cambio, en una mejor ubicación o en un mejor momento del día, el uso se podría utilizar sin penalización.

Ejemplos de aplicaciones [ editar ]

  • Motivar a los usuarios para que realicen su acción en otra ubicación (por ejemplo, hacia ubicaciones de mejor eficiencia espectral en una red celular inalámbrica) [1] [2] [4]
  • Convencer a los usuarios de que no realicen una determinada acción en este momento (en las horas punta) sino en un mejor momento. [1] [3]
  • Respuesta a la demanda en la red inteligente
  • Controlar el comportamiento del usuario hacia un objetivo positivo
  • capacidad / demanda, también conocido como equilibrio de carga
  • uso de servicios públicos: electricidad, gas, agua
  • sistemas ciberfísicos en la evacuación de emergencia de edificios de infraestructura [10]
  • diseño de sistemas seguros [11]
  • uso de combustibles fósiles para transporte, calefacción, industria
  • Precios dinámicos rápidos de cualquier tipo
  • ejemplo de pantalla móvil aquí [4]
  • Interfaz de usuario mediante un monitor de consumo de combustible como se muestra en el consumo de combustible en automóviles

Aspecto verde [ editar ]

En general, UIL permite controlar por un objetivo más ecológico que si el usuario actuara sin control. Este objetivo puede ser el consumo de energía, el consumo de combustibles fósiles, el consumo de alimentos o incluso objetivos más suaves como el comportamiento social. Es como si las reglas (recompensas) pudieran cambiarse en la teoría de juegos para que el resultado parezca más cooperativo.

El aspecto verde de una red inalámbrica es el siguiente. La energía consumida por la infraestructura inalámbrica como las estaciones base, los centros de conmutación ya representan el 0,5% del consumo mundial de energía eléctrica y, por lo tanto, las emisiones de carbono. La combinación de datos contemporáneos da como resultado una huella de carbono de 34 g de CO 2 (o 17 dm 3 ) por 1 MB de datos transmitidos. Podemos llamar a esto el índice verde actual de las comunicaciones celulares inalámbricas. Un bit corresponde a 5,8 × 10 16 moléculas de CO 2 es la emisión de bit específica. Las redes celulares inalámbricas consumen el 0,5% de la electricidad total mundial, que es aproximadamente 20 PWh en 2010. El tráfico inalámbrico celular mensual promedio es de 240 × 10 15 bytes, que es en total 2880 PB en 2010. Entonces la energía por byte se puede encontrar como 0.0347 × 10 −6  kWh y es igual a 0.125 J. Si la electricidad se obtiene del carbón, entonces surgen 975 g de CO 2 por 1 kWh de energía . Luego, por un byte de datos inalámbricos, surgen 0.0338325 mg de CO 2 , que es aproximadamente igual a 34 g de CO 2 por 1 MB. [3]

Ver también [ editar ]

  • Teoría de sistemas
  • Teoría de control
  • Factores humanos
  • Interfaz de usuario
  • Human-in-the-Loop
  • Sitio web del proyecto UIL

Referencias [ editar ]

  1. ↑ a b c Schoenen, Rainer y Yanikomeroglu, Halim (2014). User-in-the-Loop: conformación de la demanda espacial y temporal para redes inalámbricas sostenibles. Revista IEEE Communications, febrero de 2014
  2. ↑ a b c Schoenen, Rainer y Yanikomeroglu, Halim y Walke, Bernhard (2011). User-in-the-Loop: Los usuarios conscientes de la movilidad aumentan sustancialmente la eficiencia espectral de los sistemas OFDMA celulares. IEEE Communications Letters, volumen 15, número 5, páginas 488-490. ISSN  1089-7798 . Mayo de 2011
  3. ↑ a b c d Schoenen, Rainer y Bulu, Gurhan y Mirtaheri, Amir y Yanikomeroglu, Halim (2011). Comunicaciones ecológicas mediante la conformación de la demanda y el control basado en tarifas de usuario en el circuito. Actas de la Conferencia de Comunicaciones Verdes en Línea IEEE 2011 (IEEE GreenCom'11). ISSN 1531-3018 . ISBN 978-1-4244-9519-1 . 2011  
  4. ^ a b c Schoenen, Rainer. Al aumentar la eficiencia espectral más del 100% por usuario en el bucle de control. Actas de la 16ª Conferencia de Comunicaciones de Asia y el Pacífico (APCC). Octubre de 2010
  5. ^ Informe 44 del Foro UMTS. Previsiones de tráfico móvil 2010-2020. http://www.umts-forum.org/
  6. ^ Cisco Systems Inc., Cisco Visual Networking Index: Actualización de pronóstico de tráfico de datos móviles globales, 2010-2015. 1 de febrero de 2011.
  7. ^ Sandvine Inc., Informe de fenómenos de Internet móvil de 2010. Papel blanco. 2010.
  8. ^ Rysavy Inc., restricciones de capacidad de banda ancha móvil y la necesidad de optimización. Papel blanco. Febrero de 2010.
  9. ^ Dohler, M. y Heath, RW y Lozano, A. y Papadias, CB y Valenzuela, RA, Is the PHY layer dead ?, IEEE Communications Magazine, abril de 2011, volumen 49, número 4, páginas 159-165
  10. ^ Dumitrescu, C. (2015). "Sobre el diseño de un canal User-in-the-Loop. Con aplicación a la salida de emergencia". arXiv : 1508.03204 [ cs.CY ].
  11. ^ Cranor, Lorrie Faith (2008). "Un marco para el razonamiento sobre el ser humano en el bucle" (PDF) . Usenix.org . Taller Actas de Usabilidad, Psicología y Seguridad 2008.