Usuario en el circuito

El término "usuario en el circuito" ( UIL , por sus siglas en inglés) se refiere a la noción de que una tecnología (por ejemplo, una red) puede mejorar un objetivo de rendimiento al involucrar a sus usuarios humanos ( capa 8 ). La idea se puede aplicar en varios campos tecnológicos. UIL supone 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 perciben (observan más o menos, pero también es imaginable una retroalimentación acústica o háptica: imagine que el pedal del acelerador de un automóvil ofrece cierta resistencia, como en el caso de un velocímetro). 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 tienen como objetivo alentar o disuadir a los usuarios humanos de comportarse de determinadas maneras que mejoren el rendimiento general del sistema. Un ejemplo de una implementación histórica relacionada con UIL ha aparecido en redes de energía eléctrica, donde se presenta un cuadro de precios a los usuarios de energía eléctrica. Este cuadro de precios diferencia los valores de la electricidad en función de los períodos de baja demanda, media demanda y demanda, por ejemplo. Pero se trata de un control de bucle abierto. UIL en realidad permite un control de bucle cerrado, es decir, tener al usuario DENTRO del bucle. ^{[ aclarar ]} Frente a un patrón no homogéneo de precios, los usuarios humanos responden modificando su consumo de energía en consecuencia, lo que finalmente conduce a una mejora general del acceso a la energía eléctrica (reducción del consumo en 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 de redes inalámbricas está por debajo de la oferta en la mayoría de los casos (la capacidad potencial de los enlaces inalámbricos se basa en las limitaciones tecnológicas), el aumento rápido y exponencial de la demanda hará que el acceso inalámbrico sea un recurso cada vez más caro en cuestión de 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, es decir, los usuarios. Se puede alentar a los usuarios inalámbricos a cambiar su "comportamiento inalámbrico" introduciendo incentivos, por ejemplo, precios diferenciados. ^[3] Además, se puede aprovechar la creciente preocupación por el medio ambiente y los efectos ambientales considerables pero invisibles del uso inalámbrico para convencer a los usuarios "más ecológicos" de que cambien su comportamiento inalámbrico para reducir su huella de carbono .

La UIL utilizada en las comunicaciones inalámbricas se denomina Smart Grid of Communications y tiene como objetivo evitar una mala adaptación del enlace o un uso excesivo durante las horas punta .

Independientemente de las distintas formas de otorgar incentivos y penalizaciones, el resultado del bloqueo del usuario puede ser una reacción espacial, temporal o nula. La UIL espacial significa que el usuario cambia de ubicación a una mejor (como la práctica común en las redes WiFi). La UIL temporal significa que se evita la demanda en el momento actual (para continuar en otro momento, abandonarla o descargarla en la red cableada del hogar). El incentivo suele ser una tarifa completamente dinámica. Esto da forma a la demanda del usuario durante la congestión. La 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.

La perspectiva general de UIL se muestra en la figura. En el concepto de UIL , el controlador proporciona la información necesaria al usuario, por lo que se espera que el usuario cambie voluntariamente su ubicación actual del punto A al B. El controlador conoce la calidad de la señal actual en el punto A y/o la eficiencia espectral allí. Además, la calidad de la señal promedio y/o la eficiencia espectral se conocen para todas las ubicaciones de la red a partir de una base de datos de mediciones 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 el punto B y A. Esta ventaja de utilidad puede ser financiera (descuento para llamadas de voz) y/o una mayor velocidad de datos (tráfico de datos de mejor esfuerzo). La red proporciona la información a dónde (en qué dirección y a qué ubicación) moverse. Antes de tomar su decisión, el usuario debe tener toda la información necesaria (tasa de descuento, mayor velocidad de datos, qué tan lejos está el siguiente paso mejorado). Al final, una cierta porción de usuarios participa en el movimiento y el resto permanece en el lugar, lo que incluye a todos los usuarios que no pueden moverse, no quieren moverse o no tienen suficiente incentivo para moverse. El bloque de usuario en la figura muestra la nueva ubicación B, si el usuario decide moverse. Esta probabilidad depende de la distancia y de 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]

El aumento de la demanda en las redes celulares es impulsado por una política de precios de tarifa plana. Promueve distribuciones de tráfico de cola pesada y conduce a un aumento ilimitado de la demanda. Hoy en día, la política de precios está empezando 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. Una solución más elaborada, la fijación de precios basada en el uso, se sugiere en la literatura, pero por sí sola no resuelve el problema de la congestión en las horas punta. Un paso más allá en UIL , se sugiere una fijación de precios basada en el uso completamente dinámica. ^[3] Este precio dinámico se muestra en un terminal de usuario (UT) para que el usuario pueda decidir usar o no el servicio. La idea principal es muy clara, el usuario generará menos tráfico cuando el precio de la sesión suba. Como resultado, el método de fijación de precios cambiará el comportamiento del usuario y el tráfico como en las tarifas de electricidad 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 entrenamiento.

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 utilizar 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 adaptadores para portátiles seguirán aumentando el tráfico en un 100% por año, una tendencia observada ya 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 allá nunca podrán seguir el ritmo de la demanda a este ritmo de aumento. ^[9] El consumo de energía y la ecología también se están volviendo más importantes en el futuro. Cualquier aumento de capacidad que proporcione la tecnología, pronto será devorado por un tráfico que aumenta aún más rápido. Los nuevos enfoques requieren gastar aún más dinero y energía, por ejemplo, para pico y femtoceldas. El enfoque UIL es ortogonal y no requiere más CAPEX y energía ^{[ aclarar ]} . UIL es capaz de aumentar la eficiencia espectral en cantidades sustanciales. ^[2]

La interfaz entre el controlador UIL y la caja del usuario consiste en información e incentivo. La información es simplemente el conocimiento de que un cambio en la salida del usuario sería beneficioso (para el sistema, la comunidad, la sociedad). Sin embargo, en la mayoría de los casos puede ser necesario un incentivo adicional para hacer que el usuario realmente cambie su comportamiento predeterminado, porque el altruismo no es lo suficientemente amplio y las personas tienden a preferir estrategias egoístas en las sociedades libres (véase la teoría de juegos ). Este dilema se llama Tragedia de los comunes . Por lo tanto, es racional asumir que el modelo del homo economicus está impulsado por una maximización de la utilidad en el primer orden y el homo reciproco solo para los efectos de segundo orden.

Los incentivos pueden ser económicos (tarifa más barata por uso) u otros beneficios que pueden ser convertibles en dinero o no. Un ejemplo son las millas de un programa de viajero frecuente por cada movimiento espacial que realice el usuario. Otro beneficio de una red inalámbrica es otorgar al usuario una tasa de bits más alta , pero solo para el usuario que cumpla con las normas. También son posibles los incentivos negativos en forma de penalizaciones, 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 la ubicación actuales (hora pico, situación de congestión, mala adaptación del enlace ), con el fin de evitar que el usuario use el sistema en estas circunstancias. En cambio, en una mejor ubicación o hora del día, el uso sería posible sin penalización.

• Motivar a los usuarios a realizar su acción en otra ubicación (por ejemplo, hacia ubicaciones con mejor eficiencia espectral en una red celular inalámbrica) ^{[1] [2] [4]}
• Convencer a los usuarios de no realizar una determinada acción en este momento (en las horas punta) sino en un momento mejor. ^{[1] [3]}
• Respuesta a la demanda en la red inteligente
• Controlar el comportamiento del usuario hacia un objetivo positivo
• Capacidad/demanda, también conocida 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 el transporte, la calefacción y la industria.
• Precios dinámicos y rápidos de cualquier tipo.
• Ejemplo de pantalla móvil aquí ^[4]
• Interfaz de usuario de un monitor de consumo de combustible como se muestra en el consumo de combustible en automóviles

En general, el UIL permite controlar un objetivo que es 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) se pudieran cambiar en la teoría de juegos para que el resultado parezca más cooperativo.

El aspecto ecológico de una red inalámbrica es el siguiente: la energía consumida por infraestructuras inalámbricas como estaciones base y centros de conmutación representa actualmente el 0,5% del consumo mundial de energía eléctrica y, por lo tanto, de las emisiones de carbono. Al reunir los datos actuales, se obtiene una huella de carbono de 34 g de CO2 ₍ o 17 dm3 ⁾ por cada MB de datos transmitidos. Podemos denominarlo el índice ecológico actual de las comunicaciones celulares inalámbricas. Un bit corresponde a 5,8×10 ¹⁶ moléculas de CO2 _, es decir, la emisión de bits específica. Las redes celulares inalámbricas consumen el 0,5% de la electricidad total mundial, lo que equivale aproximadamente a 20 PWh en 2010. El tráfico celular inalámbrico mensual promedio es de 240×10 ¹⁵  bytes, lo que equivale a un total de 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. Entonces, por cada byte de datos inalámbricos surgen 0,0338325 mg de CO ₂ , lo que es aproximadamente igual a 34 g de CO ₂ por 1 MB. ^[3]

• Teoría de sistemas
• Teoría del control
• Factores humanos
• Interfaz de usuario
• El ser humano en el circuito
• Sitio web del proyecto UIL