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Evaluación de los estándares IEEE 802 11p y 802 11a en entornos vehiculares utilizando mapas reales

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Academic year: 2020

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Evaluación de los estándares IEEE 802.11p y 802.11a en entornos vehiculares utilizando Mapas Reales”. Autor: Adriana de la Caridad Hernández Nuñez Tutor: Mario Alberto González Carta. Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica. TRABAJO DE DIPLOMA “Evaluación de los estándares IEEE 802.11p y 802.11a en entornos vehiculares utilizando Mapas Reales” Autor: Adriana de la Caridad Hernández Nuñez ahnunez@uclv.cu. Tutor: Ing. Mario Alberto González Carta mgcartas@uclv.edu.cu Santa Clara 2017 "Año 59 de la Revolución".

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) i. PENSAMIENTO. La humanidad necesita hombres prácticos, que sacar el mayor provecho de su trabajo, y, sin olvidar el interés general, salvaguardar sus propios intereses. Pero la humanidad también necesita soñadores, para quienes el desarrollo de una tarea sea tan cautivante que les resulte imposible dedicar su atención a su propio beneficio. Marie Salomea Curie.

(5) ii. DEDICATORIA. Este trabajo es dedicado especialmente a mis padres porque siempre fue un orgullo, deseo, anhelo poder ver a su hija profesional y hoy tengo el placer de cumplir junto a ellos este sueño..

(6) iii. AGRADECIMIENTOS. En primer lugar a Dios por darme la oportunidad de ingresar en esta carrera, por guiarme durante todo este proceso y darme la suficiente fuerza al igual que salud a mí y a toda mi familia. A mis padres por su apoyo incondicional, fueron varios años de esfuerzos y sacrificios, gracias a ellos he podido lograr sobrepasar todos los obstáculos. A toda mi familia pues ellos fueron mi motor en todos estos años, que tan solo con una llamada bastaba para tomar las fuerzas necesarias para llegar a la meta y recordarme que esto era una carrera de resistencia, no de velocidad. A Ángel Fumero Argüelles y familia por estar presente, por ayudarme a crecer como persona, creer en mí y ayudarme en todas las decisiones tomadas. También dedico este logro a mi abuela paterna Edivia Gutierrez y madrina Zoila Riverón, porque sé que se sienten orgullosas de este logro alcanzado y de no ser por su apoyo habría sido mucho más difícil la culminación de este proceso. A mis compañeros de estudio con los que he compartidos buenos y malos momentos, por el esfuerzo compartido pues de ellos también aprendí. A mi tutor Mario Alberto González Carta por brindar su experiencia y conocimiento para poder realizar este trabajo con la menor dificultad posible. Y a todas esas personas que me han apoyado incondicionalmente durante este largo proceso. A todas, MUCHAS GRACIAS..

(7) iv.

(8) v. TAREA TÉCNICA. 1.. Estudiar las principales características de los protocolos IEEE 802.11a y. 802.11pdefinidas para las capas MAC y PHY. 2.. Estudiar las principales herramientas utilizadas por la comunidad científica para la. simulación de comunicaciones vehiculares. 3.. Definir herramientas de simulación que permitan modelar escenarios vehiculares. realistas usando los protocolos IEEE 802.11a y 802.11p. 4.. Diseñar experimentos utilizando topologías de mapa real que permitan evaluar el. desempeño de los estándares IEEE 802.11a y 802.11p en entornos vehiculares. 5.. Evaluar a través de simulación el desempeño de los protocolos IEEE 802.11a y. 802.11p en entornos vehiculares.. Firma del Autor. Firma del Tutor.

(9) vi. RESUMEN. Las redes vehiculares Ad-Hoc están enfocadas principalmente al correcto funcionamiento de la seguridad vial,teniendo como objetivo disminuir el número de accidentes automovilísticos. Para ello se utiliza el estándar 802.11p que define el funcionamiento de la capa PHY y MACen la arquitectura de red acceso inalámbrico en entornos vehiculares (WAVE). En este trabajo seevalúa el desempeño del estándar 802.11a en comparación con el 802.11p, mediante el diseño de softwaresespecializados. Las simulaciones se realizan en dos escenarios diferentes: un entorno de autopista y urbano, definido por una porción de mapa real. Teniendo como resultadosque para un buen funcionamiento de la red no se debe de emplear el estándar IEEE 802.11a debido a que una alta razón debeacon, densidad vehicular y elevado tamaño de la ventana de contención, influyen en la demora de los mensajes en llegar a su destino y las pérdidas son mayores. La evaluación de ambos protocolos en escenarios realistas permitió corroborar su aplicabilidad en entornos VANETs..

(10) vii TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i DEDICATORIA ..................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... iii TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ v RESUMEN ............................................................................................................................ vi INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 CAPÍTULO 1.. MARCO TEORICO REFERENCIAL ...................................................... 5. 1.1. Introducción ............................................................................................................. 5. 1.2. Componentes y definición de las VANET............................................................... 6. 1.3. Características de las redes vehiculares ................................................................... 8. 1.4. Aplicaciones ........................................................................................................... 11. 1.4.1. Eficiencia de tráfico ........................................................................................ 13. 1.4.2. Seguridad vial ................................................................................................. 14. 1.4.3. Información/Entretenimiento.......................................................................... 16. 1.5. Modelos de movilidad ........................................................................................... 17. 1.6. Arquitectura CALM en redes vehiculares ............................................................. 17. 1.7. Evolución del estándar IEEE 802.11 ..................................................................... 19. 1.7.1. Características de los estándares IEEE 802.11p y IEEE 802.11a .................. 21. 1.7.2. Comparación entre el estándar IEEE 802.11p y IEEE 802.11a ..................... 23. 1.8. Conclusiones parciales ........................................................................................... 24. CAPÍTULO 2. 2.1. MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................... 25. Introducción a los simuladores de redes VANET ................................................. 25. 2.1.1. Sinuladores de tráfico ..................................................................................... 26.

(11) viii 2.1.2. Simuladores de red ......................................................................................... 27. 2.1.3. Simuladores híbridos ...................................................................................... 27. 2.1.4. Simuladores integrados .................................................................................. 28. 2.2. Herramientas de simulación................................................................................... 28. 2.2.1. SUMO............................................................................................................. 29. 2.2.2. OMNET++ ..................................................................................................... 32. 2.2.3. INET ............................................................................................................... 33. 2.2.4. MOVE ............................................................................................................ 33. 2.3. Escenarios de simulación ....................................................................................... 35. 2.3.1. Entorno urbano ............................................................................................... 36. 2.3.2. Entorno autopista ............................................................................................ 38. 2.4. Parámetros de simulación ...................................................................................... 40. 2.5. Métricas de desempeño .......................................................................................... 42. 2.6. Conclusiones parciales ........................................................................................... 43. CAPÍTULO 3.. ANÁLISIS. DE. LOS. RESULTADOS. OBTENIDOS. EN. LAS. SIMULACIONES 44 3.1. Número de colisiones ............................................................................................. 44. 3.2. Razón de entrega .................................................................................................... 47. 3.3. Demora de extremo a extremo ............................................................................... 52. 3.4. Conclusiones parciales ........................................................................................... 56. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 57 Conclusiones..................................................................................................................... 57 Recomendaciones ............................................................................................................. 57 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 59 ANEXOS .............................................................................................................................. 62.

(12) ix Anexo I Anexo II. Instalación de los simuladores utilizados ....................................................... 62 Exportando mapas de OpenStreetMap ....................................................... 71.

(13) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Las redes ad-hoc vehiculares (VANETs, Vehicular Ad-Hoc Networks) se han convertido en un relevante campo de investigación durante los últimos años. Esto se debe al creciente interés de la industria automotriz por establecer sistemas de transporte inteligente de nueva generación (ITS, Intelligent Transportation Systems) capaces de proveer aplicaciones de seguridad vial y gestión del tráfico a los tripulantes de los vehículos. En una VANET los nodos móviles pueden intercambiar información utilizando sistemas de comunicación inalámbrica y capacidad de posicionamiento. La ausencia de infraestructura característica de estas redes establece que los protocolos de comunicación deben ser concebidos con la suficiente robustez para operar de manera dinámica y eficiente en ambientes distribuidos. El progreso de la industria del transporte ha sido un factor esencial en el desarrollo de nuestra sociedad y este provocó el nacimiento o crecimiento de otras ramas económicas. Sin embargo, el aumento del número de vehículos y conductores también trajo consigo un incremento considerable en el número de muertes humanas debido a accidentes automovilísticos. Entre los años 2010 y 2012, se registraron solo en Europa un total de 3337231 accidentes de tráfico, los cuales implicaron la pérdida de 90268 vidas humanas[1]. Evaluar las implementaciones de los protocolos, desempeño de las arquitecturas de red y el impacto del despliegue de las aplicaciones en escenarios reales, es crucial para el correcto funcionamiento de las VANETs. Los altos costos que esto implica hacen que los estudios basados en simulación constituyan un método efectivo y ampliamente adoptado por la comunidad científica. Las herramientas de simulación emplean modelos para determinar si un proyecto es viable o no en el mundo real. Los modelos deben aproximarse lo más posible a la realidad para obtener resultados confiables y precisos. Los simuladores.

(14) INTRODUCCIÓN. 2. VANETs necesitan modelar aspectos específicos como: alta movilidad, comportamiento del conductor, elevado número de nodos, obstáculos de radio, señales de tránsito, entre otras. En una simulación VANET es necesario emplear un modelo de movilidad que refleje el comportamiento real deltráfico de los vehículos[2]. Las. comunicaciones. de. corto. alcance. (DSRC,. Dedicated. Short. Range. Communications), especificadas bajo el estándar IEEE 802.11p, constituyen el estándar de facto para la capa física (PHY) y de control de acceso al medio (MAC) en el conjunto de protocolos para el acceso inalámbrico en entornos vehiculares (WAVE, Wireless Access in Vehicular Environments). IEEE 802.11p representa una alternativa a los estándares IEEE 802.11 actuales (protocolos IEEE 802.11a, 802.11b, 802.11g), estando su desarrollo dirigido a proporcionar comunicaciones robustas y de baja latencia en escenarios de alta movilidad y elevado dinamismo en la topología de red. Teniendo en cuenta que el protocolo 802.11p surge como una solución para operar en entornos VANETs, y que IEEE tienen estándares bien establecidos en el mercado, se considera un tema de gran importancia evaluar el estándar IEEE 802.11p en entornos vehiculares utilizando mapas reales, y comparar su desempeño con el estándar IEEE 802.11a. Esto posibilita evaluar el impacto que tienen ambos protocolos de comunicación sobre la capacidad del sistema para preservar vidas humanas. Teniendo en cuenta lo anterior, se plantea el siguiente problema científico: ¿Cómo se desempeñan los protocolos IEEE 80211p y 80211a en entornos vehiculares reales? Partiendo de la situación antes planteada se tiene como objetivo general: Evaluar el desempeño de los estándares IEEE 802.11p y 802.11a en entornos vehiculares utilizando Mapas Reales. Para dar cumplimiento al objetivo general del presente trabajo se tienen como objetivos específicos: 1-. Caracterizar los protocolos IEEE 802.11p y 802.11a definidos para la capa. MAC y PHY de los sistemas vehiculares..

(15) INTRODUCCIÓN. 2-. 3. Diseñar experimentos que evalúen el desempeño de los estándares IEEE. 802.11p y 802.11a en entornos vehiculares. 3-. Comparar a través de simulaciones el desempeño de los protocolos IEEE. 802.11p y 802.11a, con la consecuente discusión y análisis de los resultados obtenidos. De los objetivos específicos, surgen las siguientes interrogantes científicas: ¿Cuáles son las principales características de los protocolos IEEE 802.11p y 802.11a definidos para la capa MAC y PHY de los futuros sistemas de transporte inteligentes (ITS)? ¿Qué herramienta de simulación usar para modelar escenarios vehiculares IEEE 802.11p y 802.11a con un elevado grado de realismo? ¿Cuáles experimentos permiten evaluar el desempeño de los estándares IEEE 802.11p y 802.11a en entornos vehiculares? Organización del informe Para satisfacer los objetivos planteados el informe se estructuró de la siguiente manera:. introducción,. tres. capítulos,. conclusiones,. recomendaciones,. referencias. bibliográficas y anexos. Introducción: Se realiza una breve reseña donde se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda y se mencionan los elementos del diseño teórico. Capítulo I: Se hace referencia a las características generales de las redes ad-hoc vehiculares y se describe el funcionamiento de los protocolos IEEE 802.11p y 802.11a. Capítulo II: Se describen las herramientas de simulaciones empleadas y se presentan el diseño de los experimentos. Capítulo III:.

(16) INTRODUCCIÓN. 4. Se muestra la comparación, análisis e interpretación de los resultados que se obtienen de los simuladores. Conclusiones: Se describen los resultados obtenidos a partir de los objetivos trazados inicialmente en la investigación. Referencias bibliográficas: Se conforman un listado de toda la bibliografía que fue consultada para la elaboración de este trabajo siguiendo las normas establecidas. Anexos: Muestra el proceso de instalación de los simuladores empleados y otros aspectos de importancia no incluidos en el capitulario del informe..

(17) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 5. CAPÍTULO 1. MARCO TEORICO REFERENCIAL. 1.1 Introducción Las redes Ad-Hoc, se definen como una de las categorías de las redes inalámbricas que no depende de una infraestructura física desplegada para su funcionamiento, se denomina como una red flexible y de bajo costo que solo requiere de dos o más nodos para desplegarse. Cada uno de los nodos puede actuar como transmisores, receptores o enrutadores, según sea preciso, sin necesidad de un punto de acceso centralizado. Simplemente cada uno de los nodos que llegue a la red debe tener la capacidad de adaptarse a la red, ya sea para transmitir o recibir información o como apoyo para que la comunicación entre dos nodos que no se encuentran dentro de sus radios de cobertura puedan comunicase entre sí. Para el caso en el que los nodos de la red pueden moverse estas redes se denominan redes móviles Ad-Hoc, que en realidad son las más comunes[3]. La alta demanda en la movilidad de los usuarios y la necesidad de crear sus propias redes para atender necesidades concretas fueron los principales motivos que impulsaron el desarrollo de redes sin infraestructuras fijas y que tuvieran una alta movilidad entre sus nodos[4]. Las redes Ad-Hoc fueron creadas en la década de los 70, conocidas en ese entonces como las redes de radio paquetes, desarrolladas por la agencia conocida como DARPA (Defense Advanced Research Projectc Agency) y empleadas para proyectos militares. Posteriormente en 1994DARPA inició un programa que permitirá suministrar conectividad a los usuarios inalámbricos en cualquier momento con los mismos beneficios de conectividad de internet, conocido como GloMo (Global Mobile Information Systems). Gracias al buen desempeño de estas redes se tomó el estándar 802.11 de la IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), que ha desarrollado el estándar 802.11 que abarca.

(18) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 6. la tecnología inalámbrica para la operación de redes independientes permitiendo una comunicación entre ellas, dentro de este mismo estándar se desarrolló una extensión denominado 802.11s que busca permitir la comunicación en redes auto configurables de topología Multisalto[5]. Una red Ad-Hoc vehicular utiliza a los vehículos como nodos de la red. Debido al reducido alcance del canal de comunicación, la conectividad se establece de forma esporádica, por ende, estas redes se consideran un tipo específico de red móvil de comunicación. Este tipo de redes tienen una gran variedad de retos específicos asociados, tales como la alta volatilidad de las redes, la velocidad de los nodos comunicantes y la concentración de los nodos en un área. 1.2 Componentes y definición de las VANET Las redes VANET son una clase de red inalámbrica derivada de las redes MANET (Mobile Ad-hoc Networks), que han surgido gracias a los avances tanto en las tecnologías inalámbricas e investigaciones en la industria automotriz para desarrollar redes que permiten la comunicación entre vehículos a diferentes velocidades. En las redes vehiculares, cada vehículo es equipado con la tecnología necesaria para permitir capturar información de sí mismo como de su entorno, esta información no solo debe ser procesada para la toma de decisiones del mismo vehículo sino que también para ser transmitida a los demás vehículos adyacentes o dentro de la topología[6]. Las redes vehiculares se consideran una especialización de las redes MANET, y su principal diferencia es que los nodos están restringidos a moverse únicamente a lo largo y ancho de las vías. En una VANET, cada vehículo se define como un nodo de la red y está equipado con una unidad de comunicación a bordo denominada OBU (On- Board Unit) y una unidad de aplicación llamada AU (Application Unit). La función de la OBU es intercambiar información con otros vehículos o con puntos de acceso estacionarios ubicados alrededor de las carreteras, denominados RSU (Road-Side Unit); mientras que las AU hacen referencia a los dispositivos que muestran información al usuario. Generalmente se les da esta denominación a dispositivos como computadores portátiles, smartphones o pantallas ubicadas dentro del nodo y que se encuentran conectados a la OBU[7]. Para una mejor comprensión obsérvese la Figura 1.1..

(19) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 7. Figura 1.1: Desplazamiento de una OBU entre las zonas de comunicación de dos RSU. Los elementos que conforman las redes VANET al operar entre sí forman dominios, que hacen referencia a un conjunto de elementos lógicos y físicos que funcionan colectivamente para establecer comunicaciones entre nodos y RSU. Estos dominios se clasifican de acuerdo a su funcionamiento en[8](ver Figura 1.2): • Dominio en el vehículo:conformado porla OBU y las AU del nodo; forman una redde comunicación bidireccional dentro delvehículo y pueden conectarse alámbrica oinalámbricamente. •. Dominio. Ad. hoc:este. dominio. hacereferencia. a. la. comunicación. inalámbricautilizada para enlazar los nodos entre sí olos nodos con las RSU. Dicha comunicación puede entablarse mediante el estándarpresentado por la IEEE denominado IEEE802.11p (junto con sus variantes específicaspara seguridad, networking, gestión derecursos y operaciones multicanal) omediante otras tecnologías inalámbricas(Wi-Fi®, WiMAX®, 3G, LTE, etc.). • Dominio de infraestructura:formado porlas redes de acceso y la infraestructuraque soporta el acceso a Internet (backend)que solicitan los nodos y/o las RSU. Lacomunicación puede realizarse utilizandotecnologías cableadas y/o inalámbricas..

(20) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 8. Figura 1.2: Los componentes y dominios descritos anteriormente. Fuente: Orozco, Chavarro & Calderón,2013. 1.3 Características de las redes vehiculares Debido a que en las redes VANET los vehículos pueden establecer una comunicación entre ellos y con algún tipo de infraestructura. Las redes vehiculares tienen las siguientes características [6], [9], [10], [11]: . Enrutamiento: es necesario que cada nodo por separado, y todos en conjunto,. provean un mecanismo dinámico de enrutamiento. Los protocolos clásicos de enrutamiento no son aplicables a este tipo de redes ya que no están preparados paralas variaciones de topología que presentan las VANET. Actualmente, se están desarrollando algoritmos de enrutamiento para enfrentar este problema. . Control distribuido de red:el control se hace en cada nodo ya que no se tiene. infraestructura que lo realice..

(21) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. . 9. Topología de red variable: en las redes vehiculares los nodos o vehículos se. pueden mover de forma arbitraria, aunque a veces sigan algunos patrones de movilidad. Debido a esto, las redes se pueden subdividir y, por consiguiente, pueden experimentar la pérdida de paquetes. Para esto se deben desarrollar mecanismos que detecten estas circunstancias y que minimicen de esta forma sus efectos. . Suministro de energía ilimitado:los nodos no tienen restricciones en el. consumo de energía, dado que la batería de los vehículos proporciona una cantidad suficiente para la operación de la OBU y/o AU. . Mayor Capacidad Computacional:las Redes vehiculares requieren a menudo. brindar mayores capacidades de detección, comunicación y cómputo, por lo que los vehículos y las estaciones deben de contar con muy buenos equipos computacionales. . Movilidad Predecible:Por lo general los vehículos tienden a tener. movimientos de fácil predicción, al estar limitados por el diseño de las carreteras. Con la tecnología GPS, es posible conocer la posición exacta del vehiculó, con esta información y sabiendo además la trayectoria y velocidad de desplazamiento del mismo, se puede predecir su posición futura. . Escala Potencialmente Grande: Las Redes vehiculares se extienden sobre. toda la red vial, aumentando de tal forma el tamaño de la red, esto implica la participación de un elevado número de nodos, que requieren niveles de potencia elevados para ampliar su rango de cobertura y mantener las comunicaciones. . Alta Movilidad:las redes vehiculares operan sobre un entorno altamente. dinámico. Los vehículos en las carreteras viajan a velocidades muy altas (100Km/h en autopistas y 60Km/h en la ciudad), lo cual conlleva a predecir que el periodo de comunicación inter-vehicular pueda ser muy corto. La topología de la red tiende a cambiar de forma aleatoria y rápida en todo momento, dificultando el establecimiento de la conectividad de la red, la cual debe mantenerse estable para que los servicios de comunicación puedan operar sin inconvenientes. En este caso el protocolo de enrutamiento debe modificarse o ajustarse..

(22) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. . 10. Ancho de banda limitado: el ancho de banda en sistemas inalámbricos, que. carecen de infraestructura física y más con dicha movilidad es mucho más reducido que el ancho de banda de redes que están preestablecidas. . Fluctuación de los enlaces:La calidad de la información se ve afectada a. medida que los saltos entre los nodos de las redes Ad Hoc se va incrementando debido a la adición de errores de bit entre cada salto. La información tarda mucho en entregar los paquetes al destino requerido. . Topología altamente dinámica: llegar a describir una topología específica. para una red VANET es particularmente exigente debido a la misma naturaleza de los vehículos. Los nodos están en constante movimiento y una comunicación V2I o V2V puede darse en muy poco tiempo, dificultando la identificación de una topología para éstas redes. . Canales variables en tiempo y frecuencia:debido a la velocidad de los. vehículos, a los ambientes donde circulan y a los posibles obstáculos para la señal inalámbrica (edificios, árboles, etc.), la comunicación puede sufrir desvanecimientos en tiempo o frecuencia con mayor intensidad que otras redes móviles. . Autonomía: hace referencia a la libertad que tiene cada nodo de la red para. acceder al medio, transmitir, enrutar y recibir paquetes cuando lo requiera sin estar bajo la influencia de un control centralizado. De modo que las OBU y las RSU manejan dichas tareas de manera independiente. Se han planteado diversos escenarios para establecer comunicaciones en una red vehicular, los cuales se describen a continuación[12]: . Vehículo a Vehículo (V2V:Vehicle to Vehicle): se refiere a la comunicación. directa o basada en multisaltos entre vehículos en una red VANET. . Vehículo a Infraestructura (V2I:Vehicle to Infrastructure): el escenario de. comunicación V2I hace referencia a la conexión existente entre los vehículos y la infraestructura a lo largo de la carretera..

(23) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. . 11. Vehículo a Peatón (V2P: Vehicle to Pedestrian): hace referencia a la. comunicación entre los nodos de una red VANET y los peatones que circulan por las calles. . Directo en el Vehículo (DIV: Direct in Vehicle): la comunicación DIV es. poco referenciada por la literatura y se da cuando dos o más AU en el mismo vehículo intercambian información entre ellas. . Vehículo a Hogar (V2H: Vehicle to Home): escenario propuesto por la ITU. para la convergencia de Redes de Nueva Generación con redes VANET. Hace referencia a la comunicación entre un nodo de una red vehicular con un nodo de una red fija en el hogar a través de una infraestructura de red NGN. . Distribución de clave: todos los mecanismos de seguridad implementados en. las VANETs dependen de claves. Cada mensaje se encripta y necesita ser desencriptado en el receptor, ya sea con la misma clave o con una diferente. Muchos algoritmos basados en la PKI (Public Key Infraestructure) han sido propuestos para habilitar la seguridad de las comunicaciones en ambientes vehiculares. Estos algoritmos son fundados en la entidad de confianza CA (Certification Authority), que es la responsable de certificar las claves públicas de los vehículos. Se han sugerido muchos esquemas de investigación para la distribución de autoridades de certificación entre una serie de nodos de la red, utilizando la movilidad como métrica para elegir los vehículos que asuman el rol de CA. 1.4 Aplicaciones Las VANET brindan una oportunidad para el desarrollo de aplicaciones que mejoran las condiciones de tráfico y transporte contribuyendo considerablemente a la reducción de los accidentes de tráfico, mediante sistemas de colaboración basados en las comunicaciones V2V, V2I e I2V. Según, el 60% de los accidentes se podrían evitar si los conductores contaran con un aviso segundo antes del momento de la colisión. Existen tres escenarios donde las aplicaciones de seguridad vial pueden ser muy útiles [13]: -Vías de alta velocidad:los vehículos se mueven a altas velocidades en autopistas o carreteras principales. Esto proporciona a los conductores muy poco tiempo para.

(24) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 12. reaccionar ante una situación peligrosa. Una aplicación de seguridad vial puede proveer a los conductores avisos tempranos que eviten accidentes. Por otro lado, si ocurre un accidente, los vehículos cercanos a menudo colisionan antes de que puedan detenerse. Las aplicaciones de seguridad vial, también pueden diseminar información relacionada a un accidente impidiendo así que se efectúe un choque en cadena. -Intersecciones: conducir cerca y a través de las intersecciones es uno de los desafíos más complejos que los conductores afrontan porque dos o más flujos de tráfico se interceptan y la posibilidad de colisión es alta. En 2007, el Departamento de Transportación de los Estados Unidos (U.S. DoT, Department of Transportation), registró alrededor de 2.4 millones de accidentes en intersecciones, representando el 40 % de todos los accidentes reportados e implicando la muerte de 8703 personas, lo que significó el 21 % del número de fallecidos. Entre 1998 y 2007, el número mínimo y máximo de muertes en intersecciones fue de 8689 y 9362, ocurriendo como promedio 9032 muertes en intersecciones cada año. Una aplicación de seguridad vial puede gestionar el tráfico en las intersecciones, mitigando riesgos de colisión y aumentando la eficiencia. -Congestión en carreteras:las aplicaciones de seguridad vial pueden proveer a los conductores las mejores trayectorias hacia sus destinos. Esto disminuye la congestión en las carreteras y mantiene un flujo distribuido de tráfico que aumenta la capacidad de las vías y la prevención de atascos. Disminuir el tiempo perdido en atascos reduce la contaminación medioambiental causada por el funcionamiento de los vehículos, contribuye al ahorro de combustible, implica una menor destrucción del paisaje debido a la necesidad de construir más carreteras y reduce la probabilidad de accidentes[14]. Las aplicaciones presentan un rol fundamental en el desarrollo de los sistemas vehiculares cooperativos, requiriendo una definición detallada y comprensión. Importantes esfuerzos se están realizando para identificar, caracterizar y definir las aplicaciones y casos de uso para las VANETs.En este contexto, el Comité Técnico de ETSI sobre los ITS (ETSI TC on ITS, ETSI Technical Committee on ITS) ha identificado un grupo de aplicaciones y casos de uso a considerar como referencia en la estandarización y despliegue de los.

(25) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 13. sistemas vehiculares. Estas aplicaciones y casos de uso se han seleccionado teniendo en cuenta aspectos legales, administrativos, económicos, estratégicos, de desempeño y las necesidades de los usuarios[15]. 1.4.1. Eficiencia de tráfico. Esta aplicación tiene como objetivo gestionar y monitorear el tránsito de vehículos, así como minimizar los atascos que se producen en zonas urbanas con el fin de mejorar las condiciones del tráfico. Teniendo en cuenta su función, estas se dividen en dos subcategorías: . Gestión de tráfico: es la que brinda información sobre el flujo vehicular y. controla elementos del sistema de transporte desde la RSU como: -Aviso de límite de velocidad contextual/regulatoria: según las condiciones del tiempo, la mala visibilidad, accidente intersecciones peligrosas etc., la RSU envía al conductor el límite de la velocidad legal. -Pago electrónico del peaje: el pago del peaje se realiza mediante sistemas automatizados proporcionándole ahorro del tiempo al conductor, así como la eliminación de los problemas de retención, esto incrementa la eficiencia operacional. -Control de velocidad adaptativo cooperativo (ACC): es un sistema que solo tiene en cuenta la velocidad, sin la necesidad de la intervención del conductor, por lo que este se encargará de controlar la dirección del vehículo. Se necesita que los vehículos cooperen entre sí para definir la velocidad adaptablemente. -Formación de platoon (Platooning): reduce el espacio ocupado por los vehículos en la vía evitando así la congestión del tráfico. Además, permite que los vehículos viajen cerca unos de los otros de forma segura y eficiente manteniendo controlada la velocidad y distancia, ver Figura 1.3..

(26) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 14. Figura 1.3 Formación de Platooning. Fuente: Sandy Bolufé Águila, 2016. . Monitoreo del tráfico: es la que monitorea los vehículos y las condiciones en. las que se encuentran las carreteras, en caso de presentar situaciones peligrosas en la vía notifican a los conductores, unos ejemplos de estas aplicaciones son: -Agente de seguimiento y localización vehicular. -Placas/Licencias de conducción electrónicas. -Monitor de condiciones viales. 1.4.2. Seguridad vial. Esta aplicación está orientada a mejorar la seguridad vial, tiene como función monitorear y recolectar sistemáticamente información acerca del estado de las vías con el fin de disminuir el número de accidentes de tráfico, así como el de fallecidos. Los conductores reciben mensajes de conocimiento cooperativo, estos se pueden dividir en dos grupos: . Conducidos por eventos: son los que generan alarmas asociados a información. sobre vehículos cercanos o en sentido contrario, situaciones peligrosas en la vía (una carretera en reparación, accidentes, explosión de una bolsa d aire)..

(27) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. . 15. Los que utilizan la difusión periódica: son esparcidos a cierta frecuencia por. cada vehículo de la red, para brindar información sobre su velocidad, posición, aceleración, dirección, etc. Aviso de obras en la vía: en las zonas de trabajo se coloca una RSU para poder brindarle a los autos entrantes la información de cambiar el carril de conducción y disminuir su velocidad, ver Figura 1.4. Aviso de vehículo de emergencia: la presencia de un vehículo de emergencia (ambulancia, auto de bomberos o policía) en la vía trae consigo la obligación de disminuir la velocidad, ceder el paso o el estacionamiento de los vehículos que estén en la carretera. Informa a los autos circundantes sobre su presencia para evitar colisiones y desbloquear el paso en la vía. Aviso de vehículo en adelantamiento: estas elevan la probabilidad de evitar los accidentes en la vía preservando así las vidas humanas pues un vehículo en adelantamiento informa sobre su acción a los autos que se encuentran a su alrededor. Aviso de riesgo de colisión en giro de cruce de tráfico: un fallo de esta indicación de giro puede resultar en una colisión lateral, ya que informa a los autos vecinos que un vehículo pretende girar a la izquierda a través de un flujo de tráfico. Aviso de riesgo de colisión en giro de fusión de tráfico: informa a los autos vecinos que un vehículo pretende girar a la derecha sobre la presencia de vehículos que se aproximan por el lado izquierdo para evitar una colisión lateral, preservando así las vidas humanas..

(28) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 16. Figura 1.4: Aviso de obras en la vía. 1.4.3. Información/Entretenimiento. El marco general de esta aplicación es brindarle a los conductores y pasajeros servicios de información y entretenimiento relacionado con la notificación de puntos de interés, descarga de multimedia, comercio electrónico, actualización de software, calibración de datos, entre otros mejorando así los niveles de confort. Estos casos de usos se pueden decir que son de menor importancia comparados con los antes mencionados (eficiencia de tráfico y seguridad vial), pero aportan ventajas al sector automovilístico. Entretenimiento:estas aplicaciones ofrecen a los ocupantes de los vehículos la posibilidad de hacer uso de los recursos de la red para fines de recreación; ya sea a través de las RSU o a través de puntos de acceso Wi-Fi dispuestos en la carretera, los usuarios pueden navegar en Internet, jugar en línea, ver contenidos multimedia, entre otras actividades[16]. Información del contexto:estas aplicaciones le ofrecen a los conductores información sobre sitios de interés, atracciones locales y servicios basados en localización. Algunos ejemplos se nombran a continuación: -Actualización y descarga de mapas. -Ubicación y reserva de estacionamiento..

(29) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 17. -Información de sitios de interés. 1.5 Modelos de movilidad Los modelos de movilidad surgen como estrategia para cuantificar los aspectos más relevantes relacionados con la movilidad de los nodos en las VANET. Específicamente, los modelos de movilidad hacen referencia al patrón de movimiento de los nodos en una red ad hoc y determinan la ubicación de éstos en la topología en un instante de simulación dado. Además describen el cambio de posición, velocidad y aceleración de los nodos en el tiempo[17]. Según las características con las que se describe el patrón de movimiento de los nodos en la red es que se clasifican los modelos de movilidad en las redes vehiculares. Existen, cuatro clasificaciones para los modelos de movilidad: Modelos Aleatorios, Modelos de Tráfico, Modelos de Comportamiento y Modelos de Flujo. En las clasificaciones anteriores se destacan los modelos de flujo, los cuales consideran numerosas características de las redes vehiculares y clasifican el nivel de detalle de las variables a tener en cuenta. Existen diferentes modelos de movilidad: -Macroscópicos: se refieren a las características externas al nodo (tamaño de calles,. obstáculos, intersecciones, cruces, paradas, semáforos, etc.), además analizan la densidad y el flujo de tráfico como un conjunto. -Microscópicos: se centran en lo que caracteriza al vehículo en sí (velocidad individual, aceleración, criterios de adelanto, estilo particular de conducción, etc.). -Mesoscópicos: es el encargado de buscar un equilibrio entre características macroscópicas y microscópicas. 1.6 Arquitectura CALM en redes vehiculares La arquitectura CALM (Communication Access for Land Mobiles) proporciona la comunicación I2I, V2I y V2V. Está basado en IPv6, brinda un conjunto de protocolos y parámetros estandarizados para las comunicaciones inalámbricas de medio y largo alcance de altas velocidades. Además, constituye una capa de alto nivel que define reglas que rigen sobre protocolos y tecnologías inalámbricas Ad-Hoc ya existentes..

(30) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 18. Esta arquitectura es capaz de determinar en todo momento qué tecnología inalámbrica está disponible en una cierta localización y decidir cuál utilizar para una comunicación óptima. Por otra parte siempre garantiza varios canales de comunicación de forma simultánea, de esta forma los vehículos y la infraestructura pueden mantener una comunicación de forma continua, incluso si algún canal individual no se encuentra disponible[18]. La arquitectura CALM es capaz de proveer distintas interfaces que definen cómo usar varias tecnologías inalámbricas existentes por las capas superiores. Algunos ejemplos de las mismas son: 2G/2.5G/GPRS, 3G, Infrarrojo (IR), IEEE 802.11 (5 GHz), IEEE 802.11p, MM Wave en la banda de frecuencia 60-64 GHz, IEEE 802.16/WiMAX y Satélite. Los objetivos de CALM son: proveer soporte a la nueva generación de aplicaciones ITS (sistemas de comunicaciones para la seguridad vial y nuevas aplicaciones comerciales basadas en su capacidad de gran ancho de banda) y brindar soporte a los servicios de Internet en entornos móviles. Específicamente, los medios físicos utilizados para dar soporte a la arquitectura CALM son (Figura 1.5): . ISO 21212: 2G Cellular (GSM). . ISO 21213: 3G Cellular (UMTS). . ISO 21214: InfraRed. . ISO 21215: M5 (802.11p). . ISO 25112: WiMAX (802.16e. . ISO 25113: HC-SDMA (802.20). . Bluetooth (802.15). . Ethernet (802.3). . DSRC.

(31) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 19. Figura 1.5:Arquitectura CALM 1.7 Evolución del estándar IEEE 802.11 En los últimos años se ha producido un incremento espectacular referente al desarrollo y aceptación de las comunicaciones móviles, además de las redes de área local (Wireless LANs). La función más importante de este tipo de redes es la de proporcionar conectividad y acceso a las tradicionales redes cableadas, pero con la flexibilidad y movilidad que ofrecen las comunicaciones inalámbricas. La creación del estándar IEEE 802.11 en junio de 1997 fue el momento idóneo para la consolidación de estos sistemas. En este estándar se encuentran las especificaciones tanto físicas como a nivel MAC que hay que tener en cuenta a la hora de implementar una red de área local inalámbrica. La norma 802.11 ha sufrido diferentes extensiones sobre la norma para obtener modificaciones y mejoras. De esta manera, tenemos las siguientes especificaciones[19]:.

(32) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. . 20. 802.11a: Es un estándar también conocido como Wi-Fi5. Su misión es crear un. estándar de WLAN en la banda de 5 GHz, capaz de alcanzar tasas de hasta 54 Mbps Se publicó en el 1999. . 802.11b: Es un estándar también conocido como Wi-Fi. Está pensado para. WLAN en la banda de 2.4 GHz, con una tasa que alcanza los 11 Mbps. Fue publicada en el 1999. . 802.11c: Provee de documentación a la 802.11 sobre procedimientos. específicos MAC de la Organización Internacional para la Comisión Electrónica de Estandarización Internacional (ISO/IEC). Su trabajo está concluido. . 802.11d: Su misión es definir nuevos requerimientos para la capa física para. hacer funcionar la 802.11 en otros países donde no es posible implementar 802.11, por no tener la banda de 2.4 GHz libre o ser más corta. . 802.11e: Este grupo trabaja en los aspectos relacionados con la calidad de. servicio (QoS). En el mundo de las redes de datos, calidad de servicio significa poder dar más prioridad de transmisión a unos paquetes de datos que a otros, dependiendo de la naturaleza de la información (voz, vídeo, imágenes, etc.). . 802.11f: Básicamente, es una especificación que funciona bajo el estándar. 802.11g y que se aplica a la intercomunicación entre puntos de acceso de distintos fabricantes, permitiendo el roaming o itinerancia de clientes. . 802.11g: Pretende desarrollar una extensión de la 802.11b, higher-speed PHY,. capaz de mantener la compatibilidad con la 802.11b. El objetivo inicial de este era alcanzar al menos 20 Mbps y se ha conseguido llegar hasta los 54 Mbps. . 802.11h: Una evolución del IEEE 802.11a que permite asignación dinámica de. canales y control automático de potencia para minimizar los efectos de posibles interferencias. Este punto es una de las desventajas que tiene IEEE 802.11a frente a su competidor europeo HiperLAN/2 (que también opera en la banda de los 5 GHz). . 802.11i: Este estándar permite incorporar mecanismos de seguridad para redes. inalámbricas, ofrece una solución interoperable y un patrón robusto para asegurar datos. Mejora los mecanismos de autenticación y seguridad de la 802.11, como es WEP. El sistema sobre el que se está trabajando se conoce como TKIP (Temporal Key Integrity Protocol)..

(33) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 21. El estándar IEEE 802.11 se divide en dos capas principales: la capa MAC (Media Access Control) y la capa física o PHY. Estas dos capas permiten hacer una separación funcional del estándar y, lo que es más importante, permite que un único protocolo de datos pueda usarse con distintos métodos de transmisión.Para una mejor comprensión de lo antes mencionado[19], ver Figura 1.6.. Figura 1.6: Estructura de las capas 1.7.1. Características de los estándares IEEE 802.11p y IEEE 802.11a. El estándar IEEE 802.11a fue aprobado en diciembre de 1999. Es una extensión de la 802.11. Es capaz de conseguir tasas de hasta 54 Mbps, aunque también puede funcionar a 48, 36, 24, 18, 12 y 6 Mbps en la banda de 5 GHz.Usa modulación OFDM (multiplexión por división ortogonal de la frecuencia), esta técnica distribuye la información en pequeños paquetes que se transmiten simultáneamente en múltiples canales frecuenciales separados, aunque solapados en frecuencias ortogonales, permitiendo recibirlos de forma independiente. El separarlos, los dota de una ortogonalidad que permitirá demodularlos sin problemas [19]. Esta norma pretendía aportar un tipo de redes en otra banda no licitada, 5 GHz, menos saturada que la de los 2.4 GHz, capaz de tasas de transmisión comparables a las de las redes cableadas. Pero frecuencias mayores implican mayores pérdidas de propagación..

(34) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 22. Las frecuencias altas en radiofrecuencia requieren mucha energía, esto conllevaría a que las baterías de los móviles deberían ser muy grandes o durarían poco, lo cual contradice la filosofía de una red inalámbrica. El protocolo IEEE 802.11p constituye el estándar clave para la capa MAC y PHY en el conjunto de protocolos conocido como WAVE. IEEE 802.11p representa una alternativa a los estándares Wi-Fi actuales, estando su desarrollo dirigido a proveer comunicaciones robustas y de baja latencia en entornos vehiculares de alta movilidad y gran dinamismo en la topología de red. La capa MAC del protocolo IEEE 802.11p usa acceso múltiple con censado de portadora y evasión de colisión (CSMA/CA, Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) para proporcionar acceso justo al canal y reducir las colisiones de paquetes. Además se basa en la función denominada acceso al canal distribuido mejorado EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) del estándar IEEE 802.11e para proveer calidad de servicio QoS[20]. El mecanismo EDCA de 802.11p provee QoS a través de la utilización de cuatro categorías de acceso ACs (Access Categories) por cada canal CCH o SCH. Las categorías de acceso, denotadas por AC_0, AC_1, AC_2, AC_3, se relacionan con cuatro clases de tráfico y cada una de ellas presenta una cola y un proceso de contención independiente. En el proceso de transmisión de los datos cada trama se enmarcan en una de las categorías de acceso atendiendo al nivel de prioridad de la información, y se llevan a cabo dos procedimientos de disputa para acceder al medio: mecanismo de disputa interior que ocurre dentro de cada canal entre las múltiples categorías de acceso y mecanismo de disputa exterior que ocurre entre los canales de los distintos nodos[21]. WAVE adopta de forma específica la denominación IEEE 802.11p, es una evolución del estándar IEEE 802.11a con modificaciones a nivel físico y MAC para mejorar su comportamiento en el entorno vehicular. Al igual que IEEE 802.11a, WAVE utiliza OFDM, pero con tasas de transmisión de 3, 4.5, 6, 9, 12, 18, 24, y 27 Mbps en canales de 10 MHz. Utiliza 52 sub-portadoras moduladas utilizando BPSK, QPSK, 16-QAM o 64QAM así como codificaciones de ratios 1/2, 2/3, o 3/4. Además, IEEE 802.11p hereda los procedimientos de diferenciación de servicios que ya contemplaba la extensión 802.11e.

(35) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 23. mediante la creación de una serie de interfaces que permiten administrar el servicio de los paquetes según la prioridad que tengan asignada[6]. 1.7.2. Comparación entre el estándar IEEE 802.11p y IEEE 802.11a. En varios proyectos se encuentra que utilizan o parten de 802.11a, para conseguir desarrollar el estándar 802.11p. Los cambios a realizar para conseguir esto se limitan a modificaciones en el tiempo de guarda y en la anchura del canal. En cuanto a la banda de 5Ghzha sido recientemente habilitada para el estándar IEEE 802.11a, conocido como WIFI 5. La banda de 5 GHz permite canales de mayor ancho de banda y, además, no existen otras tecnologías que la estén utilizando (Bluetooth, microondas, etc.), por lo que hay muy pocas interferencias[22]. Sin embargo, la utilización de esta banda también tiene sus desventajas. Restringe el uso de los equipos 802.11a a únicamente puntos con visión directa, por lo que hace necesario la instalación de un mayor número de puntos de acceso. Adicionalmente los equipos que trabajan a 5GHz no pueden llegar tan lejos como los estándares que trabajan a 2.4Ghz dado que sus ondas son más fácilmente absorbidas: a mayor frecuencia, menor longitud de onda y mayor facilidad para ser absorbida por un obstáculo.En la tabla 1.1 se muestra una comparación entre los estándares IEEE 802.11a y el 802.11p[22]. Tabla 1.1 Comparación entre los estándares 802.11a y el 802.11p. Fuente: José María León Coca, 2013.. Data rate. Modulation. Error Correction Coding Coding Rate. IEEE 802.11a. IEEE 802.11P. 6,9,12,18,24,36,. 3,4,5,6,9,12,. 48,54 Mbps. 18,24,27 Mbps. BPSKOFDM. BPSKOFDM. OPSKOFDM. OPSK OFDM. 16 QAMOFDM. 16 QAM OFDM. 64 QAM OFDM. 64-QAM OFDM. Convolutional Coding Convolutional Coding.

(36) CAPÍTULO 1.MARCO TEORICO REFERENCIAL. 24. # of subcarriers. with k=7. with k=7. OFDM Symbol Duration. 1/2,2/3,3/4. 1/2,2/3,3/4. Guard Period. 52 net. 52 net. Occupied bandwidth. 4.0 µs. 8.0 µs. Frequency. 8.0 µs. 1.6 µs. 20 MHz. 10MHz. 5GHz ISM band. 5.850-5.925 GHz. 1.8 Conclusiones parciales Al culminar el presente capítulo, se pudo apreciar que: . El objetivo principal de una VANET es brindar una solución a la ineficiencia e. inseguridad producido por el tráfico vehicular, asignándole información de interés y confiabilidad a los conductores. . El estándar 802.11p constituye el estándar clave para la capa MAC y PHY,. provee comunicaciones robustas y de baja latencia en entornos vehiculares de alta movilidad y gran dinamismo en la topología de red. . El estándar 802.11a es capaz de conseguir tasas de hasta 54 Mbps, usa. modulación OFDM, tecnología de espectro expandido, tolera mejores problemas como la atenuación selectiva en frecuencia, propagación multitrayecto e interferencias..

(37) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 25. CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 2.1. Introducción a los simuladores de redes VANET. Las simulaciones en redes vehiculares son una herramienta ventajosa para analizar y evaluar la viabilidad, los beneficios y las bondades de la implementación de las aplicaciones en los ITS. El grado de realismo y confiabilidad de los resultados de la simulación dependen fundamentalmente de dos aspectos: la integración de un simulador de red con un simulador de movilidad y el uso de métricas adecuadas para la evaluación de los resultados[7]. El objetivo de integrar un simulador de red y uno de movilidad es crear un escenario realista, en el cual estén consideradas las condiciones de la transmisión de datos a través del canal radio y la interacción de los vehículos bajo un modelo de tráfico real[23]. El simulador de red constituye una herramienta para modelar y evaluar el desempeño de ciertos componentes de los sistemas de comunicación (como estándares, protocolos, algoritmos, configuraciones, etcétera.), con el fin de realizar pruebas del diseño sin efectuar la implementación real[24]. Por otra parte, la función del simulador de tráfico es generar un modelo de movilidad en un escenario topográfico real, donde se muestran las posibles trayectorias de los nodos, teniendo en cuenta parámetros como la velocidad de los vehículos, la densidad del tráfico, la topología vial, entre otros[25]. Las tendencias en simulación de redes VANET han evolucionado desde que este tópico empezó a tomar relevancia entre la comunidad científica y académica. En un principio se modeló únicamente el movimiento aleatorio de los nodos con ayuda de la teoría de tráfico, para pasar a tener en cuenta trazas reales, definir escenarios.

(38) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 26. macroscópicos y microscópicos y llegar a la tendencia actual de simulaciones bidireccionalmente acopladas.Las simulaciones bidireccionalmente acopladas hacen referencia a la comunicación en tiempo real entre el generador de movilidad y el simulador de red. Esto hace que la eficiencia de simulación aumente considerablemente[8]. En la Figura 2.1 se observa dicha tendencia.. Figura 2.1: Tendencias en la simulación de redes VANET. Fuente: Hernández, 2010. 2.1.1. Sinuladores de tráfico. Los simuladores de tráfico nos permiten modelar escenarios reales teniendo en consideración las características físicas y psicológicas que componen el flujo de tránsito (varios tipos de vehículos, tranvías, conductores, peatones, etc) y su interacción con elementos de la vía (número de carriles, cruces complejos, semáforos, obstáculos, líneas de transporte público, entre otros). Estos tipos de simuladores permiten configurar el movimiento de los elementos en las vías con modelos de movilidad aleatorios en determinados escenarios (aceleración,.

(39) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 27. velocidad, tiempo de parada y porcentaje de giro en un cruce, etc.). También, ofrecen la posibilidad de generar trazas de movimiento y en alguno de ellos estas trazas pueden ser utilizadas por simuladores de red. La mayoría de estos simuladores, permiten importar mapas reales de cualquier ciudad desde diversas fuentes, también se pueden generar mapas diseñados por el usuario sin restricción y con una gran capacidad de nodos dentro de la red. Algunos ejemplos de simuladores de tráfico: INTEGRATION, SmartPath, VISSIM, STRAW, VanetMobSim, CORSIM, MITSIM, SUMO, CityMob y MinnesotaTG. 2.1.2. Simuladores de red. Los simuladores de red son aplicaciones que permite diseñar redes virtuales, ya sea entre ordenadores, enrutadores u otros periféricos que se encuentren conectados entre sí. Permiten realizar varios tipos de pruebas tales como compatibilidad de conexión, comportamiento de los equipos, seguimiento y control de tráfico de red, etc. Además, posibilita la configuración de varios parámetros de la comunicación entre dispositivos por ejemplo, enrutamiento, porcentaje de pérdida de datos, latencias, asignación de direcciones IP, cambios de tarjetas de red y otras funciones que se pueden realizar en un entorno real[26]. Al realizar una simulación con estas redes, uno de los errores que se pueden presentar es la utilización de patrones de movilidad deterministas cuando en la realidad el comportamiento de los vehículos es aleatorio al depender de las condiciones del camino. Por tal motivo algunos simuladores de red están equipados para permitir patrones de movilidad generados por simuladores de tráfico y cuentan con interfaces gráficas API (Application Programming Interface) para establecer sesiones de conectividad[26]. Se encuentran algunos tipos de simuladores de red como:NS-2, NS-3, OMNET++, QualNet, JiST/SWANS, GloMoSim y GTNets[26]. 2.1.3. Simuladores híbridos. Los simuladores híbridos integran simuladores de tráfico o movilidad con simuladores de redes a través de una interfaz diseñada para ello. En este caso ambos simuladores se ejecutan en paralelo lo que permite que se comuniquen dinámicamente entre sí mediante la alteración de los patrones de movilidad basados en los flujos de red y.

(40) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 28. viceversa. Lo que nos permite utilizar las mejores prestaciones de ambas herramientas, agrupando modelos de movilidad de última generación con simuladores de redes actuales y eficientes[26]. Estos simuladores constituyen un paso de avance a la hora de realizar simulaciones de redes de vehículos y evaluar su comportamiento. Sin embargo, la principal limitación es que exige numerosos recursos computacionales debido a que los dos simuladores necesitan ejecutarse en paralelo. Aun así son los más utilizados en la actualidad ya que cuentan con muchas ventajas, flexibilidad, gran desarrollo y además los simuladores de tráfico y red que los conforman se desarrollan y actualizan de manera independiente [26]. Ejemplos de simuladores híbridos: TraNS, MOBIREAL, VEINS, GrooveNet, AIMSUN y GrooveSim. 2.1.4. Simuladores integrados. Los simuladores integrados surgieron con el fin de unificar en una sola herramienta las funcionalidades de simuladores de tráfico y de red, debido a que en ocasiones la ejecución en paralelo de estos últimos consumía numerosos recursos. Para la implementación de estos simuladores se elaboraron nuevos simuladores de red con un desarrollo limitado, donde se compensa la falta de protocolos elaborados con una colaboración directa entre la red y el generador de movilidad. El principal objetivo de estos simuladores es tener ambos modelos trabajando e interactuando eficientemente. Sin embargo, la principal desventaja es precisamente la mala calidad del simulador de red. Además, no permiten aún incorporar mapas públicos de Google Maps y OpenStreetMap. Teniendo en cuenta que en la actualidad la principal tendencia en el desarrollo y mejoras de simuladores de redes es la unión entre protocolos estándares y la eficiencia computacional (utilizando computación paralela y distribuida), los simuladores integrados no parecen la mejor opción para la simulación de escenarios reales[26]. 2.2. Herramientas de simulación. Para la implementación de este proyecto se han seleccionado un conjunto de herramientas de libre distribución y de código abierto. Esta elección se ha hecho debido a la confiabilidad de las simulaciones realizadas. Cuando un programa es frecuentemente.

(41) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 29. utilizado implica que ha pasado por varios periodos de evaluación y validación contribuyendo a una continua mejora de sus características. Esto supone diversas ventajas como por ejemplo la disposición de numerosos protocolos preestablecidos, de documentación y de foros de usuarios. Para la creación de la topología y el modelo de movilidad de la red VANET se utilizan los programas SUMO (Simulation for Urban Mobility), MOVE (MObility model generator for VEhicular networks), INET y OMNET++. Los simuladores previamente mencionados cumplen con los requerimientos descritos a continuación, en[12]: . Áreas de trabajo reales: el área deseada de simulación debe ser real, por lo. que el simulador debe permitir la importación de mapas realistas de diversas fuentes. . Diversos tipos de vehículos: para brindar un nivel de detalle mayor, la. simulación de tráfico vehicular debe soportar diferentes tipos de vehículos. Lo ideal es que soporte desde vehículos particulares hasta buses y camiones. . Soporte para varios modelos de movilidad: como este trabajo de grado busca. cuantificar el impacto de la variación del modelo de movilidad en una comunicación de datos de una VANET, es primordial que las herramientas elegidas soporten más de un modelo de movilidad. . Velocidad variable: la velocidad de los nodos debe ser variable en el tiempo. para aumentar el realismo de la simulación. Además, debe ser dependiente del tipo de vehículo. . Manejo de características de movilidad vehicular: la simulación debe. implementar cruces, intersecciones y semáforos presentes en el área deseada. . Soporte del estándar IEEE 802.11p: es importante que se tenga soporte para. el protocolo IEEE 802.11p, con el fin de establecer comunicaciones V2V. 2.2.1. SUMO. SUMO es un simulador de tráfico microscópico, esto quiere decir que se basa en la evaluación individual del movimiento de cada uno de los vehículos existentes en el escenario, o sea, sumo es capaz de adoptar un movimiento diferente a cada vehículo.

(42) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 30. haciéndolo un entorno más próximo a la realidad. Este simulador trabaja en espacio continuo y en tiempo discreto, desarrollado en lenguaje C++. Una gran parte de la comunidad que han evaluado diferentes simuladores de tráfico coinciden en afirmar que SUMO es una herramienta que ofrece resultados óptimos para la evaluación de protocolos de ruteo, además, es un programa de código abierto (mucha documentación, gratuito, etc.) frente a la mayoría de opciones existentes de pago. SUMO ya se encuentra entre una de las principales herramientas por parte del sector científico[27]. Este programa permite poner en funcionamiento y visualizar el modelo de movilidad de una manera relativamente sencilla a través de MOVE. Por ende, es aquí donde se tiene la posibilidad de ver el diagrama topológico descrito previamente en este proyecto. Estas razones hacen de SUMO la herramienta de simulación escogida[28], ver Figura 2.2.. Figura 2.2: Simulador de tráfico: SUMO Permite definir entornos de movilidad reales gracias a la utilización de mapas digitales. Ofrece la posibilidad de utilizar diferentes tipos de vehículos, carreteras que cambian en cuanto a su composición (número de carriles, velocidad, prioridades de intersección, entre otros) y un amplio abanico de posibilidades e integración con simuladores de red[28]. Esta herramienta computa las rutas de los vehículos antes de realizar la simulación, una vez en ella, los vehículos llegan al destino predeterminado por el usuario o configurado.

(43) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 31. aleatoriamente. Cabe destacar que en un escenario donde actuase un número elevado de vehículos (unos pocos miles de vehículos) esto podría causar congestión de tráfico en las calles arteriales del mapa digital utilizado. Para evitar esto, se utiliza un algoritmo denominado “dynamic user assignment” desarrollado por Christian Gawron. Al tener preestablecidas las rutas de cada vehículo antes de la simulación sin la utilización de ningún tipo de compresión, se necesita un gran uso de memoria del sistema, cosa que se agrava bastante en escenarios donde interviene un gran número de vehículos. Este es uno de los aspectos que se están mejorando[29]. SUMO es una aplicación que se ofrece en paquete, así que se puede bien hablar de una compilación de pequeñas aplicaciones cada una con un propósito claramente definido y que la suma de sus funciones permite crear, gestionar y explotar complejas redes de vehículos. A continuación se citan los principales programas que incluye el paquete[30]: . Netconvert: Se encarga de hacer la conversión de los archivos importados de. otras herramientas como OpenStreetMap y de generar redes a partir de archivos de nodos y ejes definidos previamente. . Netgen: Generador de redes aleatorias. SUMO permite crear 3 tipos de redes. con características aleatorias: redes con forma de parrilla, redes con forma de tela de araña y redes totalmente aleatorias. . Duarouter: Este programa permite definir las rutas que seguirán los vehículos. mediante flujos. De este modo, se definen varios grupos de vehículos con un origen y un destino común, así como las características de la velocidad y el tiempo de salida. . Jtrrouter: Este genera las rutas de forma aleatoria mediante un parámetro R. acotado entre 0 y 1. Da la posibilidad de establecer probabilidad de giro en una intersección. . Dfrouter: Se trata de otra herramienta de generación de rutas de vehículos. donde se indican características como el identificador, tiempo de salida, origen, destino, tipo de vehículo, etc. que se aplicarán a la totalidad de los vehículos del tipo definido..

(44) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. . 32. SUMO: Es el simulador en sí mismo. Una vez se hayan usado las otras. aplicaciones y se tenga disponible un escenario, definidos los vehículos y sus rutas se puede simular con SUMO y estudiar los resultados. . Guisim: Es una aplicación que permite visualizar los escenarios creados.. Permite ver los movimientos de los vehículos, detener la simulación en cualquier instante, centrarse en un punto concreto de la red y ampliarlo para estudiarlo de forma particular. 2.2.2. OMNET++. OMNET++ creado por András Varga en 2003 en la Universidad Técnica de Budapest, está basado en componentes modulares, brinda una arquitectura abierta, con una fuente de soporte GUI, es una herramienta de modelos y simulación pública, además presenta un ambiente discreto. Debido a su arquitectura genérica y flexible, ha sido utilizada exitosamente en redes basadas en colas de espera y arquitectura de hardware, su área de aplicación primaria es la simulación de redes de comunicación, ver Figura 2.3.. Figura 2.3: Simulador de red: OMNET++ Este simulador provee una arquitectura modular programada en C++, son ensamblados en componentes y modelos más grandes utilizando un lenguaje de alto nivel (NED). Las simulaciones pueden ser incluidas fácilmente en aplicaciones propias. Aunque no sea un simulador en sí, actualmente está ganando popularidad como una plataforma de simulación de redes..

(45) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 33. Debido a su arquitectura modular, los modelos son ensamblados por componentes reutilizables: módulos, que bien configurados son reutilizables y pueden ser combinados de distintas maneras. Los módulos son capaces de conectarse con otros a través de puertos, y combinarlos para formar módulos compuestos. Las conexiones son creadas dentro de un nivel básico de jerarquía: un sub-módulo puede conectarse con otro igual, o con aquel que contenga en si un módulo compuesto. Cada modelo de simulación es un caso del modelo compuesto se relacionan directamente con los archivos NED. 2.2.3. INET. El marco de simulación INET se construye sobre la plataforma OMNET++, haciendo uso del mismo modo de funcionamiento, o sea, módulos que se comunican entre sí mediante paso de mensajes. Este simulador trata de un paquete de código abierto para simulaciones que contienen la implementación de los protocolos IPv4, IPv6, TCP, SCTP, UDP, algunos modelos de aplicación, así como un modelo de MPLS [INET]. Aunque nos centramos en la posibilidad que ofrece de simulación de redes móviles e inalámbricas. En el ámbito de la simulación de las redes vehiculares, se precisa de un paquete que aporte la componente inalámbrica al escenario de simulación. 2.2.4. MOVE. MOVE se implica directamente en la simulación y automatiza mediante su interfaz gráfica algunos de los procesos necesarios para generar la simulación, como son la configuración de rutas, tipos de vehículos, probabilidad de giro, entre otros, que ahorran al usuario realizar códigos de programación, ver Figura 2.4..

(46) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 34. Figura 2.4: Generador de modelos de movilidad vehicular (MOVE) MOVE fue desarrollado por Kun Lan-Chan, Doctor en Informática por la Universidad del Sur de California. Esta interface gráfica basada en JAVA está dividida en dos segmentos claramente diferenciados: un primero dedicado a la generación del escenario de red haciendo uso del paquete SUMO y otro dedicado a convertir este escenario en un código de formato tcl para ser interpretado mediante NS2[31],ver Figura 2.5..

(47) CAPÍTULO 2. MATERIALES Y MÉTODOS. 35. Figura 2.5: Arquitectura de MOVE. Fuente: Santiago Chirinos Cadavid, 2013. Entre sus características principales destaca la posibilidad de importar mapas reales a través de OpenStreetMap, configurar los movimientos de los vehículos, velocidades, número de vehículos, capacidad de tráfico y prioridad del mismo para cada calle, etc[32]. Por otro lado, una de las limitaciones a tener en cuenta y que los autores resaltan de este software es el alto consumo de recursos de la máquina utilizada en escenarios donde intervenga un gran número de vehículos (unos pocos miles de vehículos) debido a que SUMO como se ha dicho previamente calcula las rutas de todos los vehículos antes de realizar la simulación[33]. 2.3. Escenarios de simulación. Uno de los aspectos a tratar de gran importancia en las simulaciones de redes VANET es el uso de un modelo de movilidad realista, así como, el empleo de mapas topológicos reales. En general los mapas reales definen: . Atributos de la vía: se definen los límites de velocidad y restricciones basadas. en la clase del vehículo. . Presencia de señales de tránsito: señales de pare, ceda el paso, semáforos, etc..

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Figura 1.1: Desplazamiento de una OBU entre las zonas de comunicación de dos  RSU.
Figura 1.5:Arquitectura CALM
Figura 1.6: Estructura de las capas
Figura 2.2: Simulador de tráfico: SUMO
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Referencias

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