ESTUDIO DE LAS prestaciones de LOS PROTOCOLOS dE ENRUTADO GEOGRAFICOS Y TOPOLOGICOS PARA VEHICULAR AD-HOC NETWORKS David Marín Sánchez Directora: Mónica.

ESTUDIO DE LAS prestaciones de LOS PROTOCOLOS dE ENRUTADO GEOGRAFICOS Y TOPOLOGICOS PARA VEHICULAR AD-HOC NETWORKS David Marín Sánchez Directora: Mónica Aguilar Igartua Co-Director: Ahmad Mohamad Mezher

ÍNDICE Introducción Vehicular Ad-hoc Networks Protocolos de enrutado
Herramientas de simulación Escenarios y parámetros de simulación Proceso de simulación Resultados destacados Conclusiones y trabajos futuros

INTRODUCCIÓN 31’1∙ 106 vehicles 25’7∙106 drivers
50 years 106 vehicles 2’2∙106 drivers 31’1∙ 106 vehicles 25’7∙106 drivers 2010  1960  safety belt (1975), airbag (1980), ABS (1985)...

INTRODUCCIÓN El concepto de VANET nace gracias a que desde los últimos 15 años las tecnologías inalámbricas se han convertido en el fenómeno más importante en el campo de las telecomunicaciones. La creciente necesidad de estar conectado con todo el mundo, en cualquier momento y ubicación está dado lugar al desarrollo continuo de nuevos sistemas de comunicación.

INTRODUCCIÓN VANET La urgente necesidad de reducir los accidentes en las carreteras y las emisiones de CO2 por parte de los gobiernos, la necesidad de las personas de estar siempre conectadas desde cualquier lugar y los intereses económicos del mercado del automóvil ha contribuido a la aparición de un nuevo concepto en el mundo de las comunicaciones: las redes VANET. Las VANET no son más que redes en las que los vehículos actúan como nodos, permitiendo conectarse entre ellos sin necesidad de utilizar estaciones base ni infraestructura de ningún tipo. Gracias a las VANET podemos dotar a nuestros vehículos con aplicaciones y servicios tales como sistemas de gestión de tráfico o seguridad al volante, asistencia en carretera o acceso a Internet. El objetivo principal de este proyecto es el estudio de las prestaciones de este nuevo tipo de redes que tanto interés esta recibiendo de la comunidad investigadora y la industria automovilística.

INTRODUCCIÓN VANETs (Vehicular Ad-Hoc Networks): Una nueva tecnología emergente que integra las capacidades de las nuevas generaciones de redes inalámbricas en los vehículos. Incluye un gran numero de aplicaciones tales como: Monitorización cooperativa del trafico Prevención de accidentes Servicios de información Calculo de rutas en tiempo real Acceso a Internet Las redes VANET son…

INTRODUCCIÓN Objetivo: Estudio, evaluación y comparación de los protocolos de enrutado topológicos y geográficos para VANETs (Vehicular Ad Hoc Networks) Evaluación escenarios de redes VANET con Simulador de redes vehiculares Generador de patrones de movilidad realista Estudio de las prestaciones de redes VANET en entornos urbanos para distintos protocolos de enrutado Y la pregunta que nos surge es: ¿Qué son las redes VANET?

VEHICULAR AD-HOC NETWORKS
Tipos redes móviles Con infraestructura Sin infraestructura (MANET) Redes con infraestructura: están basadas en el concepto celular, por el cual todos los dispositivos están conectados a un nodo central que es el que se encarga de las tareas de control de la red. Redes sin infraestructura: Están formadas por un conjunto de nodos inalámbricos que pueden comunicarse entre sí en cualquier lugar y en cualquier momento sin la necesidad de ninguna infraestructura de red ya existente. A continuación, comentaremos los detalles de este tipo de redes. MANET : MOBILE AD HOC NETWORK

Topología redes VANET (Vehicular Ad hoc Network) On-Board Unit (OBU): Dispositivos situados en los vehículos para comunicarse entre ellos o con las estaciones fijas Road-Side Unit (RSU): Nodos fijos para Ofrecer acceso a otras redes (Internet) Aumentar el rango de cobertura de la red En las redes VANET existen dos tipos de elementos:

Características redes VANET Topología dinámica Autonomía Funcionamiento distribuido Escalable Alta capacidad de procesado y memoria Topología dinámica: es la característica más importante de las redes MANET. A consecuencia del movimiento de los nodos, la topología y la conectividad entre los nodos varía con el tiempo. Autonomía: Cada nodo puede trabajar tanto como host como router, y cada uno es responsable de descubrir cuáles son sus nodos vecinos y cómo enrutar los paquetes. Funcionamiento distribuido: Esta característica es también una de las más importantes. Puesto que en las redes MANET no existe ningún elemento central que se encargue del control de la red, dicho control tiene que realizarse entre todos los nodos. Todos los nodos dentro de la red MANET tienen que colaborar para implementar funciones de enrutamiento o seguridad. Escalable: En muchos casos el número de nodos dentro de una red MANET puede crecer hasta decenas o centenares. Los nodos pueden ser añadidos o rechazados de la red con facilidad. Baja capacidad de procesado y memoria: muchas veces los nodos de una VANET son dispositivos móviles con baja capacidad de procesado y con memoria y baterías limitadas. Es por ello que los algoritmos ejecutados por los nodos para llevar a cabo tareas de comunicación o enrutamiento deben estar optimizados para ahorrar energía de las baterías y que requieran poca capacidad computacional.

Aplicaciones redes VANET Safety, in which a warning message will be broadcasted from a vehicle to its neighbourhood notifying about some event such as car collision or road surface conditions in order to decrease traffic accidents rate and enhance traffic flow control. It refers to applications or systems that increase the protection of the people in the vehicle as well as the vehicle itself Resource efficiency, refferring to increase traffic fluency with data such as enhanced route guidance or parking spot locator services. Better efficiency results in less congestion and lower fuel consumption, helping to minimize environmental and economic impact. Infotainment and Advanced Driver Assistance Services (ADAS), combining information and entertainment and offering multimedia and Internet connectivity facilities for passengers. Safety: Mensajes aviso para advertir eventos o condiciones peligrosas en la carretera Resource Efficiency: Aplicaciones relacionadas con la conducción eficiente Infotainment y Advanced Driver Assitance Services (ADAS): Servicios multimedia y de acceso a Internet

Proyectos europeos para VANETs Entidades y organismos NOW: Network On Wheels GST: Global System of Telematics CVIS: Cooperative Vehicular-Infrastructure System COOPERS: Cooperative System for Intelligent Road Safety FleetNet: SAFESPOT: PreVENT: Inversión total de unos 180M€ Proponen sistemas de comunicación para redes vehiculares enfocados a nuevas aplicaciones y oportunidades de negocio. Tratan aspectos como fiabilidad de las comunicaciones, seguridad, sistemas de cooperación.

PROTOCOLOS DE ENRUTADO
Protocolos Basados en la Topología de la red Desarrollados para MANETs (Mobile Ad-hoc Networks) AODV (Ad-hoc On demand Distance Vector) RFC 3561 julio 2003 DSR (Dynamic Source Routing) RFC 4728 febrero 2007 Protocolos Basados en la posición geográfica de los nodos Especificos para VANETs (Vehicular Ad-hoc Networks) GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) Brad Karp and H. T. Kung. GPSR: Greedy Perimeter Stateless Routing for wireless Networks. MobiCom 2000 Las redes MANET, en general, se diferencian de las redes VANET, en particular, en el alto dinamismo de la topología debido a que los nodos de la red son vehículos en movimiento. Muchos estudios muestran que estos protocolos desarrollados para MANET sufren de bajas prestaciones en entornos VANET. Considerando una red de vehiculos, se puede pensar de forma intuitiva en el uso de la posición geografica de los nodos (vehiculos) para decidir la ruta, y basar la decisión de reenvio en la localización geografica. GPSR es uno de los protocolos mas conocidos que se basan en esta idea.

AODV (Ad-hoc On Demand Distance Vector) Protocolo extremo a extremo Espera a establecer la ruta para enviar el paquete Tiene un buffer de manera que los paquetes que no se pueden enrutar no se descartan sino que se almacenan durante un tiempo (carry and forwarding) GPSR (Greedy Perimeter Statless Routing) Enruta el paquete salto a salto, no necesita establecer la ruta extremo a extremo No tiene ningún tipo de buffer, los paquetes que no se pueden enrutar se descartan Reactivos: Reducen la sobrecarga debido a que no necesitan buscar y mantener rutas si no hay paquetes de trafico que enviar a expensas de un augmento del retraso extremo a extremo Reactive Source Routing: Cada paquete de datos transporta toda la información de la ruta en su cabecera Reactive Hop-by-hop Routing: Cada paquete de datos no transporta toda la información de la ruta sino que se mantiene la información de la ruta en cada nodo Proactivos: Mantiene todas las rutas sin tener en cuenta si son necesarias o no para el transporte de paquetes de datos. Las rutas se mantienen gracias al envio periodico de mensajes de control.

GPSR (Greedy Perimeter Statless Routing) Origen, destino y nodos vecinos “Greedy Forwarding” “Perimeter Forwarding” …..

HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN
Evaluación de prestaciones de las VANET , redes y sistemas en general mediante experimentos reales es económicamente INVIABLE Generador de patrones de movimiento Bonnmotion Citymob MOVE VanetMobiSim Simulador de redes Qualnet NCTUns GloMoSim NS-2 SIMULACIÓN La opción ideal para estudiar las prestaciones de redes, sistemas y aplicaciones es mediante experimentos reales. No obstante, la inversión económica que ello supone hace que esta opción no se viable. Debemos por lo tanto , encontrar alternativas para realizar dicho estudio de manera que podamos obtener resultados igual de fiables pero a bajo coste. La solución es utilizar herramientas de simulación. Para la simulación de redes VANET necesitamos dos herramientas distintas: generador de patrones de movimiento y un simular de red Hemos escogido el VanetMobiSim por su flexibilidad y facilidad de uso. En cuanto al simulador de redes hemos optado por el NS2 por ser el más utilizado por la comunidad científica. ftp://ftp.isi.edu/nsnam/ns-allinone-2.27.tar.gz

Politecnico di Torino Implementado en lenguaje JAVA Creación escenarios Random Escenarios reales TIGER/Line Definidos por el usuario Compatible con NS2 Variedad de parámetros Semáforos, carriles, sentidos conducción Instalación Sencilla Proyecto VINT (Berkeley University) Implementado en lenguaje C++ Completo Protocolos enrutamiento ad hoc Modelos de propagación Comunicaciones cableadas & inalámbricas Extensible Instalación compleja (Ausencia de manuales y numerosos errores de compilación) VanetMobiSim: dibujar el escenario uno mismo, generar el escenario de forma aleatoria, uso de mapas reales de la base de datos TIGER/Line Uso fácil e intuitivo: escenario definido en un fichero con formato XML, Ambas son herramientas de código abierto y gratuitas

Las dificultades de instalar NS-2: Instalar NS-2 consiste en compilar el código y generar un fichero ejecutable. Dependiendo de la versión de sistema operativo y del compilador, los errores que aparecen en el proceso de instalación son distintos. Los parches de NS-2 consisten en scripts que modifican el código y dependen de la versión de NS-2. Añadir un módulo o extensión a NS-2 consiste en recompilar NS-2 una vez añadido el código de la extensión. Dependiendo de la versión de NS-2 pueden aparecer distintos errores al recompilar la extensión e incluso no funcionar en una determinada versión. Las extensiones no tienen por que ser compatibles entre si. Aun resolviendo todos los errores de compilación, puede que la extensión no llegue a funcionar.

En nuestro caso particular: El objetivo era instalar la versión 27 de NS-2 en Ubuntu Esta versión de NS-2 nunca llegó a funcionar en la versión de 64 bits de Ubuntu. En el proceso de instalación se resolvieron 26 errores en el código. Uno de ellos se solucionó aplicando un parche (QUÉ ERA?). Se buscaron y añadieron las extensiones del protocolo GPSR y de los modelos de propagación Ricean y Rayleigh. Se probaron varias implementaciones de GPSR hasta que se encontró una que funcionó correctamente: Se comprobó que la extensión de GPSR no era compatible con la extensión de Ricean y Rayleigh.  y entonces cómo lo has simulado junto??? En total se dedicaron unos 3 meses para conseguir realizar la primera simulación.

ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN
Manhattan grid Urbano aleatorio Urbano TIGER/Line (Washington DC) Autopista TIGER/Line (Highway 95 , Maryland)

ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN
Urban Random Simulation time 1000 sec Node Density (nodes/km2) 20 / 25 / 30 / 35 / 40 / 45 nodes/km2 Node Speed Range (km/h) 30 to 50 km/h Traffic Agent CBR / UDP Queue PriQueue with size of 50 packets Antenna Omni-directional with height of 1,5m MAC Protocol IEEE Propagation Model TwoRayGround Ricean Rayleigh Transmission Range (m) 100 / 150 / 200 / 250 m Routing Protocol AODV / GPSR / DSR Number of seeds 5 / 10 Confidence interval 95 %

PROCESO DE SIMULACIÓN

RESULTADOS DESTACADOS
EVALUACIÓN EN FUNCIÓN DE LA DENSIDAD DE NODOS (Radio de transmisión 100 metros)

EVALUACIÓN EN FUNCIÓN DE LA VELOCIDAD DE LOS NODOS (Radio de transmisión 100 metros)

EVALUACIÓN DE OTROS MODELOS DE PROPAGACIÓN (Radio de transmisión 250 metros)

CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
CONCLUSIONES (I) GPSR sufre de pobres prestaciones en entornos urbanos Para bajas densidades no es posible establecer comunicación en la mayoría de los casos Para altas densidades el ratio de paquetes entregados decae

CONCLUSIONES (II) AODV y DSR mejoran GPSR en cuanto a ratio de paquetes entregados GPSR presenta un retardo extremo a extremo inferior que AODV o DSR GPSR es mejor que AODV o DSR para aplicaciones concretas (por ejemplo voz o video streaming) AODV y DSR presentan un retraso extremo a extremo demasiado alto

Utilizar versiones mejoradas de GPSR como por ejemplo GPSR con buffer o versiones más inteligentes de GPSR (que incorporen otras métricas como la densidad de nodos, el vector velocidad o que utilicen emaps) Comparar otros protocolos como por ejemplo SIFT (Simple Forwarding over Trajectory) Realizar simulaciones con otros modelos de movilidad (Manhattan, Autopistas…) Utilizar otros modelos de propagación más realistas (Ricean, Rayleigh…) Realizar simulaciones con más de una fuente y un destino

MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIón
David Marín Sánchez Directora: Mónica Aguilar Igartua Co-Director: Ahmad Mohamad Mezher

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