Presentado a
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Para obtener el título de
INGENIERO ELECTRÓNICO
por
Juan Esteban Molano Valencia
DISEÑO, ANÁLISIS Y SIMULACIÓN DE REDES AD HOC EN ESCENARIOS DE
EMERGENCIA
Composición del jurado
Contenido
1 INTRODUCCIÓN ... 3
2 OBJETIVOS ... 3
2.1 Objetivo General ... 3
2.2 Objetivos Específicos ... 3
2.3 Alcance y productos finales ... 4
3 DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO ... 4
4 MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO ... 4
4.1 Marco Teórico ... 5
4.2 Marco Conceptual ... 7
4.3 Marco Histórico... 11
5 DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO ... 12
5.1 Definición ... 12
6 METODOLOGÍA DEL TRABAJO ... 12
6.1 Plan de trabajo ... 12
6.2 Búsqueda de información ... 15
6.3 Alternativas de desarrollo ... 15
7 TRABAJO REALIZADO ... 16
7.1 Descripción del Resultado Final ... 35
7.2 Trabajo computacional ... 35
8 VALIDACIÓN DEL TRABAJO ... 37
8.1 Metodología de prueba ... 37
8.2 Validación de los resultados del trabajo ... 38
8.3 Evaluación del plan de trabajo ... 39
9 DISCUSIÓN ... 39
10 CONCLUSIONES ... 41
1
INTRODUCCIÓN
Vivimos en un mundo donde existe una gran cantidad de potenciales fuentes de desastre. Desde desastres naturales e incluso aquellos causados por los mismos seres humanos, cada uno de estos desastres tiene el potencial de causar pérdidas de cualquier índole, tanto humanas como materiales. Es por esto, que sin importar el área en la que vivimos, es necesario estar conscientes de nuestra vulnerabilidad a este tipo de peligrosos eventos. Para estos escenarios de emergencia, existen grupos humanos encargados de velar por la integridad y la seguridad de los afectados. Estos grupos, llamados grupos de rescate, son los encargados de inspeccionar el área para responder a las necesidades de los afectados. En muchos de estos casos es posible que las zonas afectadas sean de difícil acceso, y una vez en la zona, es necesario poder comunicarse para coordinar movimientos de inspección y rescate. En estas circunstancias, la comunicación es considerada de crítica importancia debido a las múltiples limitaciones y las condiciones de movilidad que se generan [1]. La comunicación en estas situaciones se hace por lo general a través de radios convencionales de corto alcance o a través de la misma red celular. Por lo tanto, la falta de comunicación en estas situaciones se debe generalmente a que la infraestructura de red necesaria puede haber sido destruida, haber quedado fuera de funcionamiento o haber quedado seriamente averiada, o simplemente el alcance de los radios es muy bajo. Adicionalmente, en escenarios de desastres es crucial que los equipos de rescate puedan tomar acciones rápidamente y puedan operar de forma eficiente con el fin de evitar consecuentes riesgos y fatalidades. En general, la cooperación en este tipo de escenarios es de gran importancia con el fin de ayudar a los involucrados a identificar y coordinar movimientos tácticos y realizar operaciones de respuesta. En este contexto, debe garantizarse una buena calidad del servicio de conectividad a una red de comunicaciones para alcanzar el nivel de cooperación necesario. Con el fin de garantizar una buena conectividad, se pensó ilustrar el diseño de una red que no dependiera de una infraestructura previa y que pudiese ser de gran ayuda para este tipo de escenarios de emergencia.
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OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Desarrollar una metodología de diseño para redes ad hoc de emergencia.
2.2 Objetivos Específicos
Establecer un estado del arte sobre el diseño de redes de comunicaciones de emergencia identificando las especificaciones de diseño.
Establecer escenarios representativos para las redes de comunicación de emergencia en el contexto colombiano.
Desarrollar una metodología para la simulación de redes de emergencia inalámbrica en QualNet.
Identificar la organización estatal y regional para el manejo de emergencias en Colombia.
2.3 Alcance y productos finales
Al buscar una metodología para diseñar redes era necesario:
Parámetro Estado deseado
Entendimiento del escenario
Tener un completo entendimiento del escenario para el cual se pide diseñar la red, para poder poner a disposición de este escenario el diseño implementado.
Entendimiento de una red ad hoc
Es necesario tener un conocimiento detallado del funcionamiento de la red ad hoc, tanto sus características como sus protocolos.
Diseño de las capas de la red
Tener un entendimiento detallado de las capas y los protocolos que hacen parte de las capas de la red.
Funcionalidad para el usuario final
La capa de aplicación de la red debe cumplir de forma adecuada los requerimientos funcionales solicitados por el usuario del caso. Resultados
confiables
Mediante el uso de simulaciones realistas demostrar el funcionamiento adecuado de la red.
Tabla 1. Alcance y productos deseados.
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DESCRIPCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA Y JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO
Los desastres son algo habitual en el día a día, a pesar que los esfuerzos por mitigarlos sean cada vez mayores, no se está exento de éstos. Es por esto que existen grupos humanos encargados de velar por prevenir y atender desastres. Estos grupos, que son llamados grupos de rescate, son los encargados, en caso de un desastre, de inspeccionar el área para responder a las necesidades de los afectados. El territorio colombiano no está exento de sufrir cualquiera de este tipo de situaciones de riesgo y por lo tanto, existen diferentes organizaciones locales, regionales y nacionales encargadas de gestionar y prevenir estas situaciones. De igual manera, estas organizaciones, como el Sistema Distrital de Gestión de Riesgos y Cambio Climático (SDGR-CC), tienen estipulados planes que se fundamentan en la implementación de procesos de coordinación, manejo de información, cooperación, y comando y control integrados sistemáticamente [2].
En muchos de estos casos es posible que las zonas afectadas sean de difícil acceso, y una vez en la zona, es necesario poder comunicarse para coordinar movimientos de inspección y rescate. Bajo estas circunstancias, la comunicación es considerada de crítica importancia debido a las múltiples limitaciones y las condiciones de movilidad que se generan [1]. La comunicación en estas situaciones se hace por lo general a través de radios convencionales de corto alcance o a través de la misma red celular. Por lo tanto, la falta de comunicación en estas situaciones se debe generalmente a que la
infraestructura de red necesaria puede haber sido destruida, haber quedado fuera de funcionamiento o haber quedado seriamente averiada, o simplemente el alcance de los radios es muy bajo. Adicionalmente, en escenarios de desastres es crucial que los equipos de rescate puedan tomar acciones rápidamente y puedan operar de forma eficiente con el fin de evitar consecuentes riesgos y fatalidades. En general, la cooperación en este tipo de escenarios es de gran importancia con el fin de ayudar a los involucrados a identificar y coordinar movimientos tácticos y realizar operaciones de respuesta. En este contexto, debe garantizarse una buena calidad del servicio de conectividad a una red de comunicaciones para alcanzar el nivel de cooperación necesario. Al buscar una red adecuada para este tipo de escenarios, se necesita una red capaz de operar sin la necesidad de una infraestructura, que además sea confiable y eficaz. Es por esto, que se pensó en el uso de redes ad hoc como una solución ya que éstas son redes descentralizadas en las que la comunicación entre nodos es hecha sin la necesidad de una infraestructura fija, además, este tipo de redes son consideradas como las mejores candidatas en escenarios de desastres debido a su capacidad de ser fácilmente reorganizadas y reparadas [3].
Para este trabajo fue necesario tomar el concepto de una red ad hoc, y llevarlo al área de escenarios de emergencia donde se probó su desempeño teniendo en cuenta el proceder estipulado por las organizaciones encargadas de la búsqueda y rescate.
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MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO
4.1 Marco Teórico
Redes ad hoc:
Las redes ad hoc móviles son un grupo de dispositivos inalámbricos móviles con capacidad de cómputo (nodos); en los que todos los nodos de la topología se colaboran direccionando paquetes entre ellos para permitir la comunicación entre dos nodos cuando estos se encuentran fuera del rango de transmisión inalámbrica normal. Una MANET es un grupo autónomo de usuarios móviles que se comunican a través de enlaces inalámbricos. La topología de este tipo de redes puede variar rápidamente y de forma impredecible a través del tiempo ya que los nodos se pueden desplazar libremente. Estas redes tienen las propiedades de auto configurarse y de ser descentralizadas; además, todas las actividades de la red, incluyendo la de descubrir la topología y entregar los mensajes, deben ser realizadas por los mismos nodos pertenecientes a la red [4].
Protocolos de enrutamiento para las redes ad hoc:
Protocolos reactivos: También llamados protocolos “on-demand”, descubren las
rutas sólo cuando estas son requeridas. Cuando un nodo tiene un paquete para enviar y no hay una ruta a su destinatario, el nodo empieza un proceso de descubrimiento, inundando la red con una pregunta. Como los paquetes deben esperar en un “buffer” mientras la ruta es hallada, los retrasos sufridos por los
primeros paquetes se incrementa, sin embargo, los esquemas reactivos requieren de menos recursos ya que las tablas de enrutamiento sólo guardan el grupo de rutas que un nodo necesita. Los protocolos reactivos requieren de un amplio ancho de banda para llevar a cabo el proceso de descubrimiento [4].
Protocolos proactivos: Estos protocolos almacenan una tabla con rutas hacia todos
los otros nodos en la red. Las tablas de enrutamiento son construidas y actualizadas mediante el intercambio periódico de mensajes de control entre los nodos de la red. Un nodo que tiene un paquete para enviar sólo necesita hallar la correspondiente entrada en la tabla de enrutamientos. Los esquemas proactivos requieren de mayor ancho de banda que los esquemas reactivos, ya que los nodos necesitan enviar mensajes periódicos de control con el fin de actualizar la información sobre las rutas disponibles [4].
AODV (Ad Hoc Demand Distance Vector):
Es un protocolo de enrutamiento reactivo que usa tablas de enrutamiento con una entrada por destino. AODV se basa en transmitir un mecanismo de descubrimiento de ruta [5].
DSR (Dynamic Source Routing Protocol):
Es un protocolo de enrutamiento simple y eficiente específicamente diseñado para ser usado en redes ad hoc inalámbricas con nodos móviles. Al usar DSR, la red es completamente auto-organizada y auto-configurada, haciendo innecesario la existencia de una infraestructura de red o su administración. El protocolo DSR permite a los nodos fuente dinámicamente descubrir una ruta a través de muchos posibles caminos en la red [5].
VoIP (Voice over IP)
Voz por IP es un término que hace referencia al conjunto de facilidades que ofrece el enviar paquetes de voz a través del protocolo IP de internet. VoIP funciona mediante la transmisión de voz en forma digital a través de paquetes discretos, y esta digitalización es hoy en día un proceso consolidado en la industria. La aplicación de VoIP representa la siguiente generación de servicios de comunicación. Al trasladar la voz a los servicios de la red de datos, se desliga totalmente de la tradicional infraestructura de comunicaciones, haciendo más barato su implementación y uso [6]. Esta aplicación se puso en funcionamiento sobre el protocolo H.323.
Las aplicaciones de VoIP deben cumplir con ciertas características para cumplir con una calidad de servicio (QoS) adecuada:
- Latencia: De acuerdo a la “International Telecommunication Union - ITU” en la recomendación G.114, para las transmisiones de voz, dice que un retardo menor a 150 ms es aceptable, mientras que un retardo mayor a los 400 milisegundos ya es considerado inaceptable [7].
- “Jitter”: La diferencia de tiempos promedio entre dos diferentes paquetes del mismo tamaño, según el RFC 3550 (A Transport Protocol for Real-Time Applications), debe ser menor a los 100 ms [8].
- Pérdida de paquetes: Según el estándar G.711, se requiere una pérdida de paquetes mucho menor que el 1% para evitar errores audibles [6].
Estándar H.323
Es un estándar que especifica los componentes, protocolos y procedimientos que proveen servicios de comunicación multimedia (audio en tiempo real, video y transferencia de datos) a través de paquetes de red que usan el protocolo IP [9].
QualNet:
La plataforma de simulación de comunicaciones QualNet es una herramienta para la planeación, prueba y entrenamiento que imita el comportamiento de una red de comunicaciones real. Las simulaciones son método efectivo para desarrollar, implementar y administrar sistemas basados en redes a lo largo de un completo ciclo de vida. Los usuarios pueden evaluar el comportamiento básico de una red y probar combinaciones de las características de las redes en las que se va a trabajar. QualNet provee un ambiente para el diseño de protocolos, creando y animando escenarios de redes y analizando su desempeño [10].
BonnMotion:
BonnMotion es un software de Java que crea y analiza escenarios de movilidad y es usado generalmente como herramienta para la investigación de características de redes ad hoc. Los escenarios pueden también ser exportados a formatos compatibles para varios simuladores de redes como lo son ns-2, ns-3, GloMoSim/QualNet, COOJA, MiXiM y ONE. BonnMotion está siendo desarrollado de forma conjunta por el grupo de sistemas de comunicación de la Universidad de Bonn, Alemania, un grupo de la Colorado School of Mines, Golden, CO, USA y el grupo de sistemas distribuidos de la Universidad de Osnabrück, Alemania [11].
4.2 Marco Conceptual
Modelamiento de áreas en escenarios de desastre
En situaciones de catástrofe, aquellos que más necesitan de un sistema de comunicaciones confiable son los grupos encargados de proteger, incluyendo los equipos de rescate. Estos grupos están estrictamente estructurados y sus acciones tienen una organización bien establecida. Las unidades no se mueven aleatoriamente. Existe un líder de grupo, que es el encargado de informarle a los demás a dónde y cómo moverse o en qué área específica trabajar. En general, todos los movimientos son hechos por razones tácticas y estas tácticas pueden ser modeladas a través del método de separación de áreas [12].
En este método se diferencian hasta 5 áreas específicas con sus equipos e integrantes respectivos. Los integrantes de cada una de estas áreas tienen un comportamiento o tipos de movimiento determinados.
Zona del incidente: Es el área afectada directamente por el incidente. En esta área se encuentran todos los afectados y víctimas esperando ser rescatados. En esta área los grupos de rescate se encargan de explorar el área, buscar afectados y hacer labor de rescate. Luego de efectuar el rescate, es necesario que los grupos de rescate trasladen a los afectados a un área de pacientes en espera por atención médica. Luego, estos grupos tienen que volver a la zona del incidente a rescatar más afectados o seguir explorando el área.
Zona de pacientes esperando por atención: Esta es un área intermedia a la que todos los pacientes son llevados y dónde esperan a ser atendidos de urgencias por los paramédicos o a ser trasladados a la zona de desalojo de emergencias. Las unidades involucradas en esta área son generalmente paramédicos expertos en primeros auxilios que nunca dejan la zona.
Zona de desalojo de emergencias: Es la zona donde todos los afectados por el desastre son llevados para esperar a ser evacuados. En esta área las unidades involucradas podrían representar miembros de logística que coordinan los movimientos de los pacientes.
Zona de comando de operaciones técnicas: En esta área se encuentran las unidades líderes encargadas del control y organización de toda la operación de rescate. Desde este sitio se coordina la operación de todas las demás áreas. Las unidades involucradas en esta área son las más importantes en cuanto al diseño de la red, y estas nunca abandonan su área.
Zona de parqueo de ambulancias: Es el área en el que las ambulancias esperan a ser llamadas para evacuar pacientes o llevar pacientes de gravedad directamente a la zona dónde se encuentre el hospital más cercano.
Existen diferentes unidades para cada una de las áreas. Por ejemplo, un bombero pertenecería al sitio del incidente, mientras que un paramédico solamente trabajará en el área de tratamiento de urgencias. Las unidades enviadas a una ubicación específica por lo general se encontrarán cercanos a esta ubicación. Algunas de estas unidades son de transporte, y llevan los pacientes a la siguiente área, las demás unidades no abandonan el área. Por lo tanto, el área en el que se mueven las unidades depende de asuntos tácticos, pero está restringida a una única área [12]. El diagrama general que modela las áreas anteriormente descritas, se puede observar en la figura 1. En este diagrama se observa la zona del incidente (Incident Location IL), contigua a esta se observa la zona de pacientes esperando por atención (Patients Waiting For Treatment Area PWFTA), se observan 4 zonas de desalojo de
emergencias (Casualities Clearing Station CCS) y por último se encuentran la zona de parqueo de ambulancias (Ambulance Parking Point APP) y la zona de comando de operaciones técnicas (Technical operational command TEL).
Figura 1. Modelo general del modelamiento de un escenario de desastre. Tomado de [12].
Las áreas siguientes a la locación del incidente son elegidos por las personas de tal forma que no haya ningún obstáculo en estas áreas. En la zona del incidente, las unidades se encargarán de limpiar el camino de acceso, por lo cual no habrá obstáculos entre las diferentes áreas que afecten a las unidades de transporte [12]. Para modelar este tipo de áreas existen una gran cantidad de algoritmos de aleatoriedad de movimiento, cómo lo son el Random-Waypoint-Mobility-Model o el Random-Waypoint-Mobility-Model. Estos modelos describen un movimiento que distribuye los nodos por toda el área. En general, existe un gran número de modelos, tanto muy generales como demasiado específicos, estos difieren en el nivel de abstracción necesario para un escenario de emergencia, por lo tanto, la Universidad de Bonn diseñó un modelo de movilidad que se ajusta correctamente al escenario anteriormente descrito [12].
En el escenario colombiano se tiene un manejo de escena similar al planteado por el método de manejo de áreas. Las instalaciones que se presentan en el “Plan Distrital de Gestión del Riesgo y Cambio Climático 2015- 2050” [2] son las siguientes:
Puesto de comando: Se ubican en la proximidad del área operativa, con el fin de tener acceso directo al avance de la situación. Se pueden ubicar en locaciones remotas del área operativa, normalmente en espacios institucionales como centros de monitoreo, salas de crisis, centros de control, o auditorios.
Áreas de espera: Se establecen para la ubicación provisional de los recursos disponibles, en esta se pueden almacenar temporalmente personal, insumos y
equipos, esperando por asignación. Su administración se puede delegar a un coordinador por cada área de espera establecida.
Base: Cada entidad del Sistema Distrital de Gestión de Riesgos y Cambio Climático (SDGR-CC) cuenta con una base desde donde se coordina los requerimientos logísticos y administrativos que soportan la operación de sus unidades.
Campamento: Está orientado a establecer las comodidades requeridas por el personal inmerso en el manejo de la emergencia.
Áreas de concentración de víctimas: En estas áreas de debe disponer de equipos y personal dispuesto para prestar la atención médica inicial.
Instalaciones adicionales: De acuerdo a las características de la situación puede requerirse el establecimiento de instalaciones adicionales que soporten el adecuado funcionamiento de las instancias activas, como puestos de información a la comunidad, puesto de información a medios, etc.
Aislamientos: Se pueden establecer tres tipos de aislamiento en las proximidades del área operativa:
- Zona de exclusión total. - Zona de exclusión intermedia. - Zona de no exclusión.
Todas las ubicaciones e instalaciones de las bases deben cumplir con condiciones de seguridad, accesibilidad, señalización e infraestructura tecnológica para comunicación y manejo de información [2].
Arquitectura por capas de una red
Para dar estructura al diseño de los protocolos de una red, los diseñadores organizan los protocolos en capas. Cada protocolo pertenece a cada una de las capas. Cada capa del modelo presenta un servicio diferente y todas en conjunto conforman la red y le dan sus funcionalidades [12].
- La capa de aplicación: Es la capa en la que se ejecutan las aplicaciones de la red
y sus propios protocolos. Un protocolo de la capa de aplicación se distribuye a través de múltiples sistemas finales, teniendo la aplicación desplegada sobre cada uno y estos intercambian mensajes a través de los protocolos de esta capa [12].
- La capa de transporte: Es aquella encargada de la comunicación entre procesos
lógicos, como si estos estuvieran conectados directamente. En la internet existen 2 protocolos de esta capa, TCP (Transfer Control Protocol) y UDP (User Datagram Protocol) [12].
- La capa de red: Es la encargada de hacer la comunicación entre terminales, es la
responsable de repartir los paquetes conocidos como datagramas. La capa de red incluye el popular protocolo IP que define los campos del datagrama necesarios para poder enrutar un paquete a su destino. Además, en esta capa también es necesario tener un protocolo de ruteo para enrutar los datagramas [12].
- La capa de enlace: Es aquella encargada de hacer la comunicación entre nodos
contiguos, es decir es la capa implementada en cada salto que da el paquete de nodo a nodo [12].
- La capa física: Es la capa encargada de la transmisión a nivel de bits entre
distintos dispositivos. Usa interfaces eléctricas o mecánicas que conectan el medio físico para permitir las comunicaciones sincronizadas [12].
4.3 Marco Histórico
- Reina, D., Toral, S., Barrero, F., Bessis, N., & Asimakopoulou, E. (2011). Evaluation of Ad Hoc Networks in Disaster Scenarios. 2011 Third International Conference on Intelligent Networking and Collaborative Systems.
En este documento se buscó evaluar escenarios de casos de desastres reales basándose en el desempeño usando diferentes protocolos de ruteo de las redes ad hoc. Se compararon los protocolos AODV, DSR y AOMDV con el fin de determinar cuál tenía un mejor desempeño y se llegó a la conclusión que para redes en las que movilidad primaba, la mejor opción resultaba ser AODV, mientras que los otros dos protocolos tenían resultados de un desempeño apenas aceptable en escenarios de poca movilidad.
Este artículo fue de gran ayuda ya que sirvió de guía para las métricas de resultados a comparar al momento de evaluar el desempeño de la red diseñada. Los resultados en cuanto al protocolo de ruteo con mejor desempeño resultó ser similar.
- Salamanca, M., Peña, N., & Fonseca, N. D. (2015). Impact of the routing protocol choice on the Envelope-Based Admission Control scheme for ad hoc networks. Ad Hoc Networks, 31, 20-33.
En esta publicación muestra los diferentes resultados en los parámetros de medición de una red ad hoc al cambiar sus diferentes protocolos de ruteo. Se pusieron a prueba protocolos como AODV, DSR, DYMO y OLSR. Se compararon parámetros como el retardo, el porcentaje de pérdidas de paquetes y el porcentaje de aceptación de flujo de paquetes. Las conclusiones de este artículo al igual que el anterior, a pesar de ser en condiciones diferentes, fue que el protocolo de ruteo que mejor desempeño logra es el AODV.
- Aschenbruck, N., Gerhards-Padilla, E., & Martini, P. (2009). Modeling mobility in disaster area scenarios. Performance Evaluation, 66(12), 773-790.
Este artículo modela detalladamente un escenario de desastre. Explica los conceptos de la división de áreas y da una explicación detallada del algoritmo generador de trazas de movimiento BonnMotion. Explica que los movimientos de los nodos en este tipo de escenarios no son del todo aleatorio, sino que siguen unos patrones encaminados por la protección de los civiles.
- Reina, D., Marín, S., Bessis, N., Barrero, F., & Asimakopoulou, E. (2010). An evolutionary computation approach for optimizing connectivity in disaster response scenarios. Applied Soft Computing, 833-845.
En este artículo se describe el uso de un algoritmo genético con el fin de hallar los lugares óptimos para colocar unos nodos auxiliares de la red ad hoc, con el fin de aumentar la accesibilidad de cada uno de los demás usuarios a la red.
- Shimoda, K., & Gyoda, K. (2011). Analysis of Ad Hoc Network Performance for Disaster Communication Models. 2011 Tenth International Symposium on Autonomous Decentralized Systems.
En este artículo se describe el funcionamiento de dos diferentes redes ad hoc (“two ways” y “one way”) diseñadas para funcionar en caso de emergencia en una ciudad de Japón. El artículo se enfoca en suplir la demanda de datos y consumo de potencia requerida por los usuarios en este escenario.
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DEFINICION Y ESPECIFICACION DEL TRABAJO
5.1 Definición
El problema del trabajo era de investigar, analizar, diseñar y simular una red. Este trabajo fue desarrollado en su totalidad sobre plataformas virtuales. La mayor parte del desarrollo fue hecho sobre la plataforma de simulación QualNet, un aplicativo que requiere licencia. Esta licencia fue adquirida por la Universidad de los Andes y puesta a disposición de los estudiantes para poder desarrollar sus proyectos en el área de comunicaciones. Además, fue puesta a mi disposición una máquina virtual con el programa para poder preparar los escenarios a simular de forma remota. Los demás procesos como la parte de generación de escenarios se hicieron desde herramientas open source como BonnMotion en Linux, además de códigos desarrollados en lenguaje Java con el fin de analizar datos y de generar más valores aleatorios.
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METODOLOGÍA DEL TRABAJO
6.1 Plan de trabajo
Dentro del cronograma se tuvieron las siguientes actividades: - Familiarización con el programa de simulación QualNet. - Definir los requerimientos básicos de la red.
- Investigar sobre el manejo de emergencias en Colombia. - Investigar sobre el manejo de emergencias en el mundo.
- Entender a fondo el funcionamiento de una red ad hoc de emergencia. - Simulación de redes ad hoc en QualNet.
- Investigar acerca de protocolos de redes ad hoc.
- Simulación de diferentes protocolos y evaluación de su desempeño. - Seleccionar el protocolo con mejor desempeño para la aplicación.
- Simular redes en escenarios de emergencia (movimiento de nodos). - Selección de posibles escenarios.
- Plantear el diseño general de la red de emergencia. - Integrar la red planteada a los escenarios planteados. - Simular, analizar y optimizar la red diseñada.
Las actividades planeadas para el semestre al inicio del proyecto, se muestran a continuación en la tabla 2:
Semanas
Actividades 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Familiarización con el programa de
simulación QualNet Definir los requerimientos básicos de la
red Investigar sobre el manejo de
emergencias en Colombia Investigar sobre el manejo de
emergencias en el mundo Definir posibles escenarios de
emergencia en Colombia Entender a fondo el funcionamiento de
una red ad hoc de emergencia Simulación de redes ad hoc en QualNet Investigar acerca de protocolos de redes
ad hoc Simulación de diferentes protocolos y
evaluación de su desempeño. Seleccionar el protocolo con mejor
desempeño para la aplicación Simular redes en escenarios de
emergencia (movimiento de nodos) Selección de posibles escenarios Plantear el diseño general de la red de
emergencia Integrar la red planteada a los escenarios
planteados Simular, analizar y optimizar la red
diseñada
Debido a inconvenientes con el uso de la plataforma de simulación, fue necesario reprogramar las actividades como se muestra en la tabla 3. Además se prolongó el tiempo planeado para la culminación del trabajo de 15 a 18 semanas.
Semanas
Actividades 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Familiarización con el
programa de simulación
QualNet Definir los requerimientos
básicos de la red Investigar sobre el manejo de
emergencias en Colombia Investigar sobre el manejo de
emergencias en el mundo Definir posibles escenarios
de emergencia en Colombia Entender a fondo el
funcionamiento de una red
ad hoc de emergencia Simulación de redes ad hoc
en QualNet Investigar acerca de
protocolos de redes ad hoc Simulación de diferentes
protocolos y evaluación de
su desempeño. Seleccionar el protocolo con
mejor desempeño para la
aplicación Simular redes en escenarios
de emergencia (movimiento
de nodos) Selección de posibles
escenarios Plantear el diseño general de
la red de emergencia Integrar la red planteada a
los escenarios planteados Simular, analizar y optimizar
la red diseñada
6.2 Búsqueda de información
Para la investigación se utilizó principalmente el acceso a los recursos electrónicos que brinda la Universidad de los Andes. Se obtuvo información valiosa en artículos de las bases de datos de IEEE Xplore, ScienceDirect y Springer entre otras. Estas librerías virtuales cuentan con un buscador que al usar palabras clave como “ad hoc network” o “Disaster Area” arrojan una gran cantidad de resultados. Fue labor propia identificar específicamente qué documentos podían ser útiles.
Otra herramienta útil resultó ser el motor de búsqueda Google, ya que este proporcionaba información superficial sobre ciertos temas de menor importancia. La documentación de los programas como QualNet y BonnMotion fue de especial ayuda para entender el funcionamiento y la forma en que se operan estos aplicativos.
El asesor Néstor Peña, que me ayudó con la metodología en que una red debe ser diseñada y me dio ayudas sobre la forma en que los datos deben ser presentados. También fue útil en cuanto a la búsqueda de información, el estudiante de doctorado Felipe Forero que me ayudó en ciertas tareas como la familiarización con QualNet y me colaboró con la simulación de escenarios de forma eficaz.
6.3 Alternativas de desarrollo
Plataforma de simulación:
Existía la alternativa de usar la plataforma de simulación OpenSource NS2 o NS3 para la simulación de este tipo de redes de comunicaciones. Sin embargo, para estos programas no existe una documentación unificada que facilite su uso. Por el contrario, QualNet con su licencia trae una documentación detallada de la forma en que funciona, además trae escenarios de prueba a partir de los cuales uno se puede guiar para generar nuevos escenarios.
Análisis de Datos:
Para el análisis de datos existía la opción de pasar todas las tablas a una hoja de cálculo o a través de Matlab, sin embargo, estos dos requerían un esfuerzo mayor. Por lo tanto se decidió implementar una aplicación en Java capaz de obtener los principales datos buscados y hacer un análisis de estos.
Modelamiento del escenario:
No existen muchas alternativas acerca de cómo implementar un modelo realista que se asemejara al de los movimientos reales de grupos de rescate. Una opción era hacer un análisis de la forma en que los grupos deberían actuar en un escenario de emergencia y generar las trazas. Sin embargo, al hacer una investigación exhaustiva, se halló un generador de escenarios de movilidad llamado BonnMotion. Esta herramienta se ejecuta en la terminal de Linux y es capaz de generar trazas de movimiento de grupos de rescate entre otros modelos que logra simular.
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TRABAJO REALIZADO
El trabajo realizado estructuró de acuerdo a las actividades planteadas en el cronograma.
- Familiarización con el programa de simulación QualNet
Esta parte fue principalmente investigativa, se utilizó un tiempo considerable del tiempo leyendo y entendiendo la basta documentación de Qualnet. Fue necesario leer el UserGuide’s para entender en qué se basa un escenario de simulación en Qualnet. Además, se simularon algunos de los ejemplos que vienen con el programa.
Una simulación en la plataforma de Qualnet requiere mínimo de 3 archivos [13]: - Escenario.config
- Escenario.nodes - Escenario.app
Escenario.config: Este es el archivo principal de la plataforma de simulación, allí se especifican todas las características en detalle del escenario, las características de los nodos y se especifican los parámetros de cada capa de la red. El “esqueleto” del archivo de configuración es el siguiente:
General Settings: Se elige el tiempo de simulación y la semilla con la que se va a
simular.
Terrain: Determina el tamaño del área de simulación y da la posibilidad de
asociar archivos con el fin de hacer más realista la simulación.
Channel Properties: Especifica el canal en el cual se va a trabajar. Todos los
parámetros físicos del canal se pueden modificar, la frecuencia, el modelo de pérdidas de propagación o la velocidad de propagación entre otros.
Mobility and Placement: Asocia el archivo externo .nodes con la posición de los
nodos.
Statistics: Permite decidir qué información se muestra al final de la simulación
en el archivo .stat
Packet tracing: Permite decidir si se quiere generar un archivo .trace en el que
se muestra el recorrido de cada paquete en cada una de las capas.
Supplemental Files: En este campo se asocia el archivo .app que determina la
aplicación que la red va a simular.
Physical Layer: Aquí se dan todos los parámetros de la capa física de los nodos.
de la antena, el modelo de la antena, la temperatura a la que se hace la simulación, el modelo del ruido y el modelo de energía usado.
MAC Layer: En este aparte se especifica todo lo relacionado a la capa de enlace
y se especifican más parámetros de la antena de cada nodo.
Schedulers and Queues: Determina el tamaño de la fila de cada nodo. Esta fila es
donde se almacenan los paquetes antes de ser procesados y reenviados o recibidos.
Network layer: Se dan los parámetros correspondientes a la capa de red, es
decir, se establece el protocolo IP.
Routing protocol: Se decide el protocolo de ruteo que van a usar los nodos para
poder hacer llegar un paquete a su destino.
Transport: Se elige el tipo de protocolos que se van a usar en la capa de
transporte, si TCP o UDP.
Application Layer: Se establecen los estándares necesarios adicionales para que
la aplicación a ser implementada pueda ser simulada correctamente.
Battery Models: QualNet da la posibilidad de simular un modelo de batería,
Default Wireless Subnet: Se definen las subredes que hacen parte del sistema.
Interface Configuration: Se configura la dirección de cada una de las interfaces
de cada nodo dentro de la red.
Node Configuration: Se le declara un nombre y demás atributos que deba tener
cada nodo en la simulación.
El archivo .nodes permite especificar la posición de cada uno de los nodos de la red en cada momento del tiempo de simulación.
El archivo .app determina qué nodos se comunican y a través de qué aplicación. Estas aplicaciones pueden ser Constan Bit Rate, VoIP, FTP, entre otros.
Además, para este caso, fue necesario usar otro tipo de archivos:
Urban.xml: Archivo que puede generar escenarios urbanos con edificios y árboles.
No-Gatekeeper.enpoint: Archivo necesario que especifica las direcciones “online” de cada nodo, necesarias para poder hacer funcionar el aplicativo VoIP.
La simulación de los archivos puede ser hecha desde la interfaz gráfica o desde la ventana de comandos. Luego de la simulación, el programa genera un archivo .stat que almacena todos los datos y resultados de la simulación.
- Definir los requerimientos básicos de la red
Como toda red de comunicaciones, esta red debe cumplir con ciertos requerimientos básicos dados por el usuario, como lo son los siguientes:
• Soportar aplicaciones de envío de datos y transmisión de voz por IP.
• Transmisión confiable con una pérdida de paquetes inferior al 1%.
• Tiempo de retardo en la comunicación menor a los 150 ms.
• Máxima cobertura del área afectada.
• Mínimo consumo de potencia posible.
Estos requerimientos son aquellos a los que debe apuntar el diseño de la red, además de acomodarse a un escenario de desastre realista.
- Investigar sobre el manejo de emergencias en Colombia
En Colombia existen diversos grupos cuya misión es colaborar en caso de una emergencia. Ejemplos de estos grupos son la Cruz Roja Colombiana o la Defensa Civil Colombiana. Sin embargo, a nivel distrital (Bogotá D.C.) la entidad encargada de coordinar y efectuar planes de rescate y ayuda es el Instituto Distrital de Gestión de Riesgos y Cambio Climático (IDIGER) a través del SDGR-CC. Este ente tiene dispuesto un Plan Distrital de Prevención y Atención de Emergencias (PDPAE), este plan distrital está especificado en la Ley 1523 de 2012, y estipula 3 procesos:
1. Conocimiento del riesgo. 2. Reducción del riesgo.
3. Manejo de Emergencias, Calamidades y Desastres.
A través de esta ley, el IDIGER garantiza que en el ámbito de manejo de emergencias, calamidades y desastres, no se limitan a los riesgos de origen natural o antrópico no intencional, sino que acoge cualquier tipo de riesgos independientemente de su origen [15].
Adicionalmente, con el decreto 172 de 2014 [16], se reglamentan, se organizan las instancias de coordinación y orientación, y se definen lineamientos para el funcionamiento del Sistema Distrital de Gestión de Riesgos y Cambio Climático. Con este decreto se busca tener una normativa en cuanto a los participantes y la organización de los miembros implicados en la prevención y respuesta en casos de emergencia. A través de este decreto se obliga al SDGR-CC a tener una estrategia de respuesta.
En el Capítulo XVII del “Plan Distrital de Gestión del Riesgo y Cambio Climático 2015-2050” están estipuladas las estrategias de respuesta distritales a través de los cuales se describen los lineamientos generales para formular y ajustar el proceder en casos de emergencia.
Se tiene una estructura de instanciación de manejo de crisis distrital como se muestra en la figura 2.
Figura 2. Estructura de instancia de manejo de crisis distrital. Tomado de [2].
En este diagrama se observa los pasos que debe tener la dirección de una crisis, desde el manejo de la información hasta el seguimiento de operaciones.
Dentro del seguimiento de operaciones se encuentran las funciones de respuesta, que agrupan por responsables encargados y objetivos específicos, las actividades que deben llevarse a cabo para velar por una atención integral, oportuna, eficiente y eficaz ante un evento adverso o por la inminencia del mismo, bajo un enfoque basado en derechos y sostenibilidad ambiental. Con este propósito, este marco de actuación establece funciones de respuesta de tarea y de soporte ilustrados en la tabla 4.
Las funciones de tarea corresponden al conjunto de protocolos imprescindibles para lograr el control y estabilización por la afectación producida ante un evento adverso o la inminencia del mismo. Sus funciones tienen por objetivo:
- Detener la afectación y atender directamente las consecuencias adversas sobre la seguridad, el bienestar, la calidad de vida de las personas y el desarrollo sostenible, producidas por un evento adverso o ante la materialización del mismo.
Tabla 4. Funciones de tarea
Por otro lado las funciones de soporte corresponden al conjunto de protocolos disponibles para dar apoyo a las operaciones en terreno. Su objetivo es el de asegurar la continuidad de las funciones de tarea y estas son ilustradas en la tabla 5.
Tabla 5. Funciones de soporte.
Con el fin de articular la respuesta ante eventos adversos, el SDGR-CC cuenta con protocolos distritales desde los cuales se integran actividades entre los integrantes del SDGR-CC. En estos protocolos se formaliza la asignación ordenada de actividades y responsabilidades interinstitucionales en virtud de alcanzar el objetivo de la función de respuesta que le agrupa, y proveer las soluciones que las competencias misionales de los integrantes del SDGR-CC pueden ofrecer de acuerdo a los requerimientos de los diferentes eventos que se podrían presentar.
La formulación de los protocolos es coordinado por el IDIGER, y se tiene un resumen de los mismos a continuación en la tabla 6.
Funciones Protocolos
Seguridad y
convivencia Seguridad física y convivencia
Evacuación y relocalización transitoria de familias
Evaluación de daños y análisis de necesidades
Identificación, cuantificación y valoración de la afectación de los sistemas
Generales del Distrito Capital a nivel Urbano y Rural
Identificación de población afectada
Identificación, cuantificación y valoración de la afectación del Hábitat a nivel
Urbano y Rural
Respuesta
Control de incendios estructurales Operaciones de rescate Control de incidentes forestales
Atención de accidente aéreo en zona urbana y rural*
Control de incidentes con materiales
peligrosos
Atención médica inicial
Atención médica de emergencia en la
escena (APH) Asistencia medico veterinaria
Operaciones
aéreas
Atención social prioritaria
Montaje y funcionamiento de alojamientos temporales
Entrega de ayudas humanitarias alimentarias
Entrega de ayudas humanitarias no
alimentarias
Salud Pública
Atención al medio ambiente Salud menta Atención en Salud pública a
sobrevivientes Manejo de cadáveres
Manejo ambiental
Poda y tala de árboles en riesgo
Manejo de animales de compañía- fauna
Calidad del Aire Manejo de escombros
Rehabilitación funcional
Restablecimiento de los sistemas generales necesarios para la atención de la emergencia
Preparación y atención ante el desbordamiento y/o
insuficiencia del sistema de drenaje de la ciudad Fenómenos de remoción en masa
Restablecimie nto de medios
de vida
Educación en emergencias
Servicios de notariado y registro, justicia y defensoría
Restablecimiento de lazos familiares Acceso a cultura, recreación y deporte
Logística
Manejo de suministros Medios de transporte
Instalaciones Sistemas de comunicación
Informática
Reacondicionamiento y recuperación del personal
Tabla 6. Funciones y protocolos respectivos. Tomado de [2]
Con el fin de articular la respuesta ante eventos adversos o la inminencia de los mismos, el SDGR-CC establece tres herramientas de coordinación, que velan por generar sinergia entre este marco de actuación y los procedimientos internos de las entidades orientados a la atención de emergencia:
- Manuales de actuación.
- Componente de emergencias de los Planes Institucionales de Gestión de Riesgos (PIGRE).
- Planes de Emergencia y Contingencia (PEC).
Para el proceso de toma de decisiones y control, entendido como el conjunto de las actividades desarrolladas para velar por la ejecución de las orientaciones emitidas con el fin de lograr el manejo de la situación, las actividades mínimas que se deben llevar a cabo son:
- Captura de información. - Evaluación y pronóstico. - Planificación.
- Toma de decisión.
- Divulgación de decisiones. - Ejecución de decisiones. - Seguimiento.
En la ejecución de la respuesta se debe llevar algún tipo de coordinación, organizando la aplicación de los avances planificados en los simulacros. Aquí se llevan a cabo las actividades desarrolladas en beneficio de la eficiente articulación entre los actores inmersos en la respuesta al incidente. Para este fin, se debe velar por completar las siguientes actividades:
- Establecimiento de la estructura de manejo.
- Identificación del procedimiento de toma de decisiones.
- Definir métodos que promuevan la conciencia situacional y el flujo de información (por ejemplo: tableros, mapas, etc.).
- Definir los medios de comunicación de las personas inmersas en el manejo y definir directrices sobre información pública.
- Delegar las funciones de tarea requeridas.
- Preparar e implementar del apoyo logístico requerido.
- Establecer límites (geográficos y/o áreas de responsabilidad) entre las diferentes organizaciones.
- Identificar necesidades críticas con antelación.
- Priorizar los requerimientos que necesiten gestiones extraordinarias.
- Mantener un lenguaje normalizado entre los sistemas de información y comunicación.
- Dar continuidad a las actividades anteriores, teniendo en cuenta la rotación de personal.
- Contemplar la participación de todas las entidades inmersas en el manejo de la emergencia para la toma de decisión.
Teniendo en cuenta este proceder en caso de emergencia en un escenario colombiano se piensa desarrollar un sistema de comunicación que ayude en el proceder de la coordinación de las personas inmersas en el manejo de la situación [2].
- Investigar sobre el manejo de emergencias en el mundo
Los desastres suceden en el mundo en cualquier momento, y estos pueden llegar a causar amenazas, muertos, heridos o una perturbación masiva de la gente; hechos que no pueden ser controlados fácilmente por los bomberos o la policía entre otros.
Cualquiera de estos incidentes requiere de una movilización especial y de la cooperación de varios cuerpos de voluntarios. Además, si un incidente ha llegado a la magnitud de
ser considerado desastre, el otro factor que se debe tomar en cuenta es la ubicación del incidente y el tiempo que tomaría rescatar a una persona herida y atenderla.
El procedimiento estipulado para llevar a cabo el procedimiento de rescate es el siguiente [17]:
Análisis: Lo primero que se debe hacer es recolectar los hechos del incidente y analizar la situación. Es necesario que hayan varias decisiones y se evite un daño futuro.
Búsqueda: Lo siguiente que se debe hacer es buscar por sobrevivientes. Esta búsqueda debe ser hecha de forma cuidadosa y discreta siguiendo un procedimiento anteriormente definido.
Para evitar interferencias de civiles en el proceso de rescate es necesario acordonar la zona.
Es necesario inspeccionar cuidadosamente la estructura o la zona, haciendo marcaciones. Además es necesario bosquejar el área con el fin de decidir de antemano la ruta de rescate y el método a ser implementado en las operaciones de búsqueda.
- Simulación de redes ad hoc en QualNet
Los protocolos de enrutamiento para las redes ad hoc son por lo general clasificados como reactivos o proactivos.
Teniendo claro que el tipo de protocolos que menos consumo de energía tienen son los reactivos, se procedió a seleccionar 3 tipos de ruteo de este tipo: AODV, DSR y DYMO, para ser probados los tres.
Para las capas del modelo de la red se especificaron los siguientes protocolos:
Capa Protocolo
Aplicación CBR, VoIP Transporte UDP
Red IP
Enlace 802.11MAC(DFC) Física 802.11b radio
Tabla 7. Protocolos por capa
Aplicación: Se hicieron pruebas inicialmente con una tasa constante de datos y luego se procedió a probar con la aplicación de VoIP.
Transporte: En esta capa es preferible deshabilitar el TCP, ya que estableciendo la conexión consume muchos recursos del canal que es limitado.
Red: Se utilizó el protocolo IP con una dirección de host de 169.0.0.0 con una máscara de subred de 255.255.255 dando cobertura en teoría a 16,000,000 de usuarios a la red.
Enlace: 802.11MAC con una función de coordinación distribuida. Método habitual en el protocolo 802.11 que emplea el método CSMA/CA con un algoritmo exponencial de “backoff” en caso de colisión.
Física: 802.11b estándar que usa la banda libre de los 2,4 GHz y permite velocidades de transferencia de hasta los 11 Mbit/s.
Para la primera prueba se usaron los siguientes parámetros:
Parámetro Valor
Protocolo MAC 802.11
Modelo de propagación Two-ray ground
Tasa de datos 2 Mb/s
Frecuencia de la portadora 2.4 GHz Máxima potencia de transmisión 15dBm Máximo número de paquetes en
fila 500
Patrón de tráfico Constant Bit Rate (CBR) Protocolo de transporte
User Datagram Protocol (UDP)
Tamaño del paquete 512 bytes Tiempo de simulación 500s Modelo de movilidad NONE velocidad de los nodos 0 m/s
radio de la zona 1000m
Tabla 8. Parámetros utilizados en la primer prueba.
Para estas pruebas, se utilizó como protocolo de ruteo AODV y en la capa de aplicación se simuló un mensaje de CBR (Constat Bit Rate). Las pruebas tenían como finalidad encontrar la distancia máxima a la que un nodo en un área despejada recibía una señal transmitida con una potencia 15 dbm.
La distancia hallada, a la cual empezaba tener una pérdida de paquetes superior al 10 fue de 600 m.
Luego se probó en terreno urbano y se determinó que la distancia máxima en vista directa para un clima ideal a 290 K (16,85°C) es de máximo 300 m.
Al garantizar que a 300 m es la distancia ideal a la que dos nodos se pueden comunicar sin problemas, se planteó la topología presentada en la figura 3 para probar los diferentes protocolos de ruteo seleccionados, el AODV, el DSR y el DYMO.
Figura 3. Topología en cadena
En esta topología se evaluó el retardo que tenía un paquete a medida que tenía más nodos intermedios, probando con los protocolos de ruteo AODV, DSR y DYMO.
Figura 4. Retardo (s) vs nodos intermedios
En la figura 4, se observa que el retardo para todos los protocolos probados es menor a 0.3 segundos teniendo hasta 4 nodos intermedios, sin embargo, a partir del quinto nodo intermedio, el retardo se incrementa casi hasta 1 segundo para el caso de DYMO. Como se enviaron paquetes cada segundo de 512 bytes, ningún paquete se perdió y el caudal para los tres protocolos fue en promedio de 510,34 bytes/s que era la misma tasa a la que el nodo fuente transmitía.
Luego, se duplicó la tasa de envío usando paquetes de 1024 bytes de tamaño. El fin de esta prueba era ver cuál de los tres protocolos tenía menos probabilidad de pérdida de paquetes. Los resultados a esta son presentados en las figuras 5 y 6.
Figura 5. Retardo promedio (s) para un envío de paquetes de 1024 bytes cada segundo.
Figura 6. Probabilidad de pérdidas para un envío de paquetes de 1024 bytes cada segundo.
A partir de las figuras 5 y 6, se evidencia que en cuanto al retardo, los protocolos más estables resultan ser AODV y DSR teniendo un retardo menor a los 150 ms. En cuanto a la probabilidad de pérdidas, el protocolo con mejores resultados resultó ser el DSR, teniendo en promedio una probabilidad menor al 10%, mientras que los otros dos protocolos tenían valores cercanos al 40%, teniendo el protocolo DYMO más fluctuaciones.
Como última prueba se implementó en la capa de aplicación Voz por IP y se midió el retardo promedio para cada uno de los protocolos usados.
Figura 7. Retardo vs nodos intermedios
En este escenario, se simularon llamadas de 4 minutos de duración, generando en promedio 4357,33 paquetes a ser transmitidos a través de cada nodo perteneciente a la red. De estos paquetes, en esta topología, se perdió en promedio el 0,0229% de los paquetes enviados. Según el estándar G.711 se cumple con el estándar de tener un porcentaje de pérdidas menor al 1% [7].
En la figura 7, se observa una gráfica comparativa de los tiempos de retardo de los tres protocolos durante una llamada simulada por VoIP. Se observa que en esta topología en cadena, para los tres protocolos, la diferencias de retardos no superan los 2 ms y en general, para tener hasta 8 nodos intermedios el tiempo promedio de retardo es de aproximadamente 21 ms.
De los anteriores resultados, se dedujo que para un escenario despejado y en línea de vista directa, el protocolo con mejor desempeño es el DSR, ya que es el que tiene menor probabilidad de pérdida de paquetes, es aquel que tiene el menor retardo en casos de transmisión constantes de datos, y no tienen mayor retraso al implementar la voz por IP. El de peor desempeño resultó ser el protocolo DYMO, llegando a tener retrasos de incluso 1 segundo.
Ahora, habiendo descartado el protocolo de ruteo DYMO, se procedió a implementar una topología de red urbana con 24 nodos.
Figura 8. Topología de red ad hoc en un escenario urbano
En la figura 8 se observa una topología de red urbana de prueba, en esta se busca simular que las edificaciones intermedias interfieran en la comunicación, generando que los protocolos de ruteo tengan que encontrar la mejor ruta al nodo de destino a través de los nodos circundantes. En la topología se garantiza que para cada nodo existe al menos un nodo cercano con el que se puede comunicar. Los nodos de esta red están cada uno a 300 m de distancia de sus vecinos más cercanos, ubicados uniformemente en una grilla de 1500m x 1500m. Hay un edificio en cada cuadrante. Los parámetros de la simulación fueron los siguientes:
Parámetro Valor
Protocolo MAC 802.11
Modelo de propagación Two-ray ground
Tasa de datos 2 Mb/s
Frecuencia de la portadora 2.4 GHz Máxima potencia de transmisión 15dBm Máximo número de paquetes en
fila 500
Patrón de tráfico VoIP
Protocolo de transporte
User Datagram Protocol (UDP)
Tamaño del paquete 512 bytes Tiempo de simulación 15 min Modelo de movilidad NONE velocidad de los nodos 0 m/s
radio de la zona 1000m
Se utilizó un programa desarrollado en Java capaz de generar un archivo .app que simula las llamadas por IP entre pares de nodos aleatorios. El valor promedio calculado del tiempo de retardo se observa en la figura 9, y en ésta se observa que el tiempo promedio de retardo para el protocolo de enrutamiento DSR es mucho mayor que el tiempo promedio de retardo para el protocolo AODV.
Figura 9. Retardo (s) vs #llamadas simultáneas
El protocolo que mejor desempeño tuvo en este tipo de escenarios es el protocolo AODV, por lo tanto, dentro de los parámetros de diseño, el protocolo implementado es el de AODV.
Para determinar la potencia de transmisión que debería tener el sistema de tal manera que se cubra la mayor cantidad de área posible se hicieron pruebas con topologías de redes ad hoc a 15 dBm y a 30 dBm. Estas pruebas son hechas para calcular el rango en el que los nodos deberían encontrarse para poderse comunicar, y en caso de no ser un rango adecuado para un escenario de emergencia, modificar la potencia de transmisión.
Los siguientes resultados corresponden a las pruebas con nodos transmitiendo a 15 dBm.
Figura 10. Porcentaje de pérdidas y energía consumida (mWh) vs distancia entre nodos
Se observa en los diagramas de la figura 10 que el radio de incidencia de un nodo que transmite a 15 dBm no cubre más de 350m y también es notorio que cuando un nodo abandona el área de alcance la red, consume más energía buscando nodos cercanos con los cuales lograr hacer contacto.
Para 30 dBm se hizo la misma prueba de distancia y potencia como se muestra a continuación:
Figura 11. Porcentaje de pérdidas y energía consumida (mWh) vs distancia entre nodos
En este caso, en los diagramas de la figura 11 se observa que ahora el radio de incidencia del nodo supera los 800m, sin embargo el consumo de potencia aumenta en un factor exponencial de 2 con respecto la potencia de transmisión de 15 dBm. Este aumento de consumo de potencia de 70 mWh a 1400 mWh incide directamente en la duración de la batería de los dispositivos en la red que para una batería de 1000 mAh a una potencia de transmisión de 15 dBm se espera que dure 30 horas de uso continuo, mientras que para una transmisión de 30 dBm se espera que dure 19 horas de uso continuo.
Ahora al analizar el patrón de consumo de energía de una red ad hoc se implementaron topologías sencillas, mostradas en la figura 12, en las cuales el nodo 1 y el nodo 2 intercambian datos continuamente a lo largo de una hora de tiempo de simulación, teniendo nodos intermedios entre ellos.
Figura 12. Topologías con nodos intermedios
Figura 13. Energía consumida transmitiendo
Con estas pruebas, cuyos resultados se encuentran en la figura 13, se observa que los nodos intermedios 3 y 4 a pesar de no estar generando o siendo destinatarios de datos, son los nodos que más consumen energía al tener que re transmitir toda la información que generan el nodo 1 y el nodo 2.
- Plantear el diseño general de la red de emergencia
Siguiendo el modelo general establecido, y teniendo en cuenta el manejo de escena estipulado en el Plan Distrital de Gestión del Riesgo y Cambio Climático, se plantearon las siguientes relaciones para trabajar con el método de separación de áreas:
- Los puestos de comando y las bases son modelados como zonas de comando de operaciones técnicas (TEL).
- Las áreas de espera son modeladas como zonas de pacientes esperando por atención (PWFTA).
- Las áreas de concentración de víctimas son modeladas como zonas de desalojo de emergencias (CCS).
Las demás zonas descritas en el plan no fueron tenidas en cuenta.
Teniendo en cuenta la forma de modelar un área, se diseñó un escenario de emergencia urbano que simulaba 9 zonas de incidencia modeladas como edificios. Estos edificios pueden modelar alguna catástrofe como la zona de mayor afectación debido a un supuesto sismo o incluso algún evento de mayor peligro como la explosión de algún dispositivo inflamable en la zona. Cada uno de estos edificios tiene un área promedio de 4000 m2. Cada una de estas zonas es atendida por 3 nodos, de los cuales 2 son
móviles, es decir, tienen la capacidad de ir a la zona de damnificados para dejar un afectado y luego volver a la zona del incidente. El nodo restante simula al grupo que está haciendo labores de búsqueda y reconocimiento del terreno.
Además de esto, se encuentra un área donde se ubica el comando de operaciones técnicas. Tiene un área aproximada de 1000 m2. Es en este punto dónde se coordinan
los demás nodos y se envían órdenes a los demás nodos. A esta zona corresponden 2 nodos, que son los líderes y son a quienes se les debería prestar la mejor calidad del servicio.
Las siguientes áreas hacen parte de la zona de tratamiento de urgencias. Estas áreas fueron ubicadas en un espacio que simula ser un parque al aire libre.
Las dos primeras, hacen referencia a los lugares donde los pacientes esperan por tratamiento médico. A cada una de estas áreas pertenecen 2 paramédicos que no salen de allí.
La última área es la zona de desalojo, es allí donde los afectados en un estado de salud estable esperan a ser evacuados o dónde los enfermos de gravedad son remitidos a los hospitales. En esta zona sólo se encuentra un nodo.
Tanto las zonas de tratamiento de urgencias como las zonas de desalojo se encuentran en un parque de 9000 m2 de área y cada una tiene un área aproximadamente 1500 m2.
En total hay 34 nodos distribuidos en el área. El diagrama del modelo descrito anteriormente se presenta en la figura 15.
Figura 15. Modelo diseñado.
Al haber definido la zona cubierta de aproximadamente 1.62 km2, se necesitó generar
un escenario en el que el movimiento de los nodos fuera acorde a los movimientos de un grupo de rescate en un escenario real. Es por eso que se usó el generador de movimiento BonnMotion.
El despliegue de este generador se hizo desde una máquina Ubuntu a partir de un archivo en el que se especificaban las coordenadas de las áreas, el tipo de área, el número de nodos pertenecientes a la respectiva área y el tipo de escenario que se quería generar. Además, como este generador genera movimientos semialeatorios, fue necesario especificar una semilla con el fin de generar los números aleatorios. El resultado de ejecutar este programa en una terminal de Linux se muestra en la figura 16, y aquí se observa el número de la semilla utilizada y el número de nodos en cada área definida.
Figura 16. Salida de la terminal de Ubuntu al ejecutar BonnMotion.
A partir del archivo .nodes generado gracias a BonnMotion, y el archivo .app tambien generado de forma pseudo-aleatoria es posible simular un escenario de emergencia que modele un escenario real. De este escenario es posible generar cualquier cantidad de combinaciones, tanto de las combinaciones de las llamadas por IP, como del movimiento de los nodos o las variables aleatorias que inciden en una red inalámbrica.
Al obtener los archivos de las posiciones de los nodos y pasarlos a la herramienta de simulación Qualnet, se observa la distribución de los nodos de acuerdo al diseño establecido en la figura 17.
Figura 17. Modelamiento de un escenario de desastre diseñado en Qualnet.
En la figura 18 se observa la distribución de los nodos a lo largo del área simulada. Además, se puede observar las líneas que representan las llamadas aleatorias que se hacen.
Figura 18. Vista 3D escenario final.
El tiempo de simulación utilizado en la plataforma fue de 30 minutos, ya que las llamadas se generaban aleatoriamente con una duración de entre 5 y 20 minutos. A lo largo de este tiempo se garantizó que del minuto 15 al 20 todas las llamadas estuvieran
activas de forma simultánea con el fin de evaluar el desempeño de la red en caso de tener la mayor cantidad de demanda posible.
Concretamente, los parámetros de la red diseñada fueron:
Parámetro Valor
Protocolo MAC 802.11
Modelo de propagacion Two-ray ground
Tasa de datos 2 Mb/s
Frecuencia de la portadora 2.4 GHz Máxima potencia de transmisión 25dBm
Máximo número de paquetes en fila 500
Patrón de tráfico VoIP con protocolo H.323 Protocolo de transporte User Datagram Protocol
(UDP) Tiempo de simulación 30 min Modelo de movilidad Disaster Area velocidad de los nodos
1 m/s-2 m/s peatones 10 m/s-16 m/s móviles (ambulancias, vehículos)
radio de la zona 1500m
Tabla 10. Parámetros finales.
7.1 Descripción del Resultado Final
El diseño final se logró implementar en 4 etapas: Selección protocolo de ruteo
Análisis de la potencia de transmisión.
Implementación de modelo de movilidad adecuado. Integración los modelos anteriores.
Todos los detalles de los procesos y tareas de cada etapa fueron detallados en el numeral anterior. A partir de todo este proceso fue posible tener un escenario que simulara el uso de una red ad hoc para un escenario de emergencia.
7.2 Trabajo computacional
Las herramientas computacionales usadas a lo largo del proyecto fueron QualNet, BonnMotion, Eclipse y Matlab.
El uso de QualNet fue imprescindible para el desarrollo del proyecto, sus librerías para simular escenarios de redes inalámbricas son excelentes. El uso detallado de este simulador fue explicado con anterioridad.
BonnMotion es un programa desarrollado en Java que crea y analiza escenarios de movilidad. La forma en que funciona es a través de líneas de comandos que especifican los parámetros de la red.
Figura 19. Parámetros escenario de emergencia.
El “script” de la figura 19 muestra los parámetros ingresados al programa para la generación del archivo .nodes en el script se observa que se ingresan elementos como las coordenadas de las zonas que conforman el escenario, también se ingresa el número de la semilla a partir de la cual se quiere empezar a simular un escenario aleatorio e igualmente se dan otros parámetros como el número de nodos y el área total del mapa.
Eclipse fue usado para la generación de archivos con apartados repetitivos que dependían del número de nodos, como el .config o el .app. Esta aplicación funciona simplemente dando como parámetro el número de nodos que conforman el escenario para poder generar las parejas que implementan VoIP en archivo .app. Esta aplicación fue totalmente desarrollada desde el inicio al igual que la otra aplicación en Java que lee y analiza los .stat generados por QualNet después de simular. Esta segunda aplicación genera un archivo .csv con el número de pruebas ponderadas que leyó y
además calcula los valores promedio de los indicadores como el porcentaje de llamadas perdidas, el porcentaje de paquetes perdidos, el caudal o el retardo promedio para las aplicaciones ejecutadas.
Matlab fue usado para analizar y graficar los archivos .csv generados por el Java.
8
VALIDACIÓN DEL TRABAJO
8.1 Metodología de prueba
Para el escenario final, antes de empezar a simular utilizó la siguiente fórmula (1) para estimar el tamaño de la muestra:
𝑛 =𝑍𝑎2∙𝑝∙𝑞
𝑒2 (1)
En esta fórmula Za representa una constante dependiendo del nivel de confianza que se
requiera. Los valores de p y q es la proporción de experimentos que tienen un resultado correcto, y en este caso ambos tienen un valor de 0.5, y e hace referencia al máximo error aceptado [18].
Para una confianza del 95% y un error del 8% se obtiene un tamaño de la muestra de aproximadamente 150 escenarios diferentes.
Esto quiere decir que para obtener unos valores estimados con un error menor al 8% para una confianza del 95% es necesario realizar 150 muestras diferentes.
Para cumplir con esto, se generaron 10 escenarios de movilidad diferentes usando el generador BonnMotion. A su vez, para cada escenario se generó una combinación de nodos diferente y aleatoria. Para estos 10 escenarios totalmente diferentes se simularon desde la ventana de comandos de QualNet un total de 15 semillas diferentes, generando de esta manera un total de 150 pruebas totalmente diferentes.
Para el escenario final se decidió que los nodos ubicados el comando de operaciones técnicas, que son los encargados de la dirección y coordinación de los demás nodos, debían tener una calidad del servicio mucho mejor que el resto de nodos. Es por este motivo que la potencia de transmisión de este par de nodos fue aumentada a 30 dBm para que su alcance fuera mayor y así garantizar que un paquete enviado por cualquiera de estos nodos no tenga que dar múltiples saltos por los nodos intermedios hasta llegar a su destino. Este aumento de potencia en los nodos de líderes se pensó por lo que estos se encuentran siempre en el área destinada para el comando de operaciones técnicas y por lo tanto pueden disponer de una fuente de energía mayor que la batería de los demás dispositivos móviles en uso en campo.
