Mecanismo para optimizar eldesempeno en redes VANET basado

en Ant Colony Optimization

Lelia Yeneriht Rubiano Hernandez

Tesis como requisito para optar al tıtulo de:

Magıster en Ingenierıa de Sistemas y Computacion

Director:

Ph.D., Yezid Donoso

Lınea de Investigacion:

Optimizacion Infraestructura de Comunicaciones

Grupo de Investigacion:

COMIT

Universidad de los Andes

Departamento de Ingeneirıa de Sistemas y Computacion

Bogota, Colombia

ii

2015

Contenido

Lista de figuras V

Lista de tablas 1

1. Introduccion 2

1.1. Organizacion del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Descripcion del problema y trabajos relacionados 5

2.1. Descripcion del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. Trabajos Relacionados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3. Definicion de Objetivos 10

3.1. Objetivo principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.2. Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. VANET 11

4.1. Aplicaciones en VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.2. Caracterısticas de VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4.3. Desafıos en una red VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4.4. Enrutamiento en VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

5. Entorno de comunicacion en una red vehicular 17

5.1. IEEE 802.11p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

5.2. Protocolos de enrutamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6. AntNet 25

6.1. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6.2. Problema de enruamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

7. Modelo del sistema 31

7.1. Modelo Matematico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7.2. Modelo Cooperativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

7.3. Planteamiento del Algoritmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

iv Contenido

8. Simulacion 39

8.1. SUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

8.2. OMNeT++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

9. Resultados 44

10.Conclusiones y trabajo futuro 49

10.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

10.2. Trabajo Futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

11.Bibliografıa 52

Lista de Figuras

1-1. Comunicacion vehıculo-a-vehıculo(V2V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1-2. Comunicacion vehıculo-a-infraestructura (V2I) . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2-1. Comportamiento de una red VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2-2. Sistema basado en ACO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4-1. Configuracion de una red VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

4-2. Propagacion de datos en vehıculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4-3. Trafico evitado en una comunicacion V2V y V2I . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5-1. WAVE Protocolos IEEE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5-2. Arquitectura para Sistema de Transporte Inteligente . . . . . . . . . . . . . . 19

5-3. Protocolos de enrutamiento usados en VANET . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5-4. Transmision en una direccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

5-5. Transmision usando los dos sentidos de la carretera . . . . . . . . . . . . . . 24

6-1. Comportamiento de una Colonia de Hormigas . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6-2. Configuracion broadcast en Ant Colony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7-1. Configuracion broadcast en Ant Colony . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

7-2. Arquitectura de un modelo cooperativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8-1. Escenario vehıcular, tomado de Google-Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8-2. Replica del escenario vehıcular en SUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

8-3. Arquitectura de simulacion implementada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

8-4. Conexion de trafico vehıcular y trafico de datos . . . . . . . . . . . . . . . . 42

9-1. Resultados de simulacion en cuanto a perdida de paquetes . . . . . . . . . . 45

9-2. Resultados de simulacion en cuanto a end-to-end-delay . . . . . . . . . . . . 46

9-3. Resultados de simulacion con SPR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Lista de Tablas

9-1. Parametros de simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

1 Introduccion

Cada vez es mas evidente los beneficios potenciales de IoT (del ingles: Internet of things,

Internet de las cosas), los cuales incluyen aplicaciones que estan cambiando el estilo de vida

actual. El paradigma de IoT propone un esquema donde muchos objetos que nos rodean

estaran en una misma red de una forma u otra utilizando sensores para monitorear condicio-

nes fısicas o ambientales [2]. Con la creciente presencia de nuevas tecnologıas con acceso a

internet, la evolucion hacia redes de informacion ubicuas es evidente [1]. Sin embargo, para

que esto sea posible, el paradigma de la informatica debe ir mas alla de los escenarios de

redes moviles tradicionales, los cuales utilizan telefonos inteligentes y portatiles; evolucio-

nando a un entorno rodeado de objetos inteligentes interconectados entre ellos. IoT es un

instrumento vital en la que la interconexion de dispositivos; el cual tendra un gran potencial

para optimizar todo tipo de sistemas moviles.

IoT permitira que las redes vehiculares del futuro, reemplacen sus sistemas de trafico de

control actuales evolucionando ası, a un sistema que utilizara la informacion disponible del

medio proporcionada por los sensores; los cuales estaran interconectados entre si. IoV (del

ingles: Internet of Vehicles, Internet de los vehıculos), es la inevitable convergencia entre el

internet movil para vehıculos e IoT. Cuando en una red vehicular el control humano es remo-

vido por vehıculos autonomos; estos cooperan de manera eficiente controlando ası el flujo de

trafico en las carreteras. Visionarios predicen que los vehıculos autonomos se comportaran

mucho mejor que los conductores humanos, lo que permitira controlar mas trafico en menos

tiempo produciendo menos contaminacion y generando mayor comodidad para los pasajeros

[4]. Sin embargo, la complejidad de comunicar cientos de carros y la necesidad de estos de

comunicarse entre ellos trae multiples desafıos para las redes de comunicaciones.

La nueva era de IoT, esta impulsando la evolucion de las redes ”Vehicle Ad hoc Networks”

(VANET), dentro del paradigma de Internet de los vehıculos. VANET proporciona comu-

nicacion wireless entre los vehıculos y las ”Road Side Unit” (RSU). Comparadas con otros

tipos de redes wireless tales como: ”Wireless Sensor Networks” (WSNs) o ”Wireless Mesh

Networks” (WMNs), las redes VANET tienen una naturaleza altamente dinamica. Puesto

que el desempeno de una red depende del mejor enrutamiento que se lleve a cabo en esta,

las redes VANETs prometen una plataforma prometedora que proporciona un exitoso enru-

tamiento en redes vehiculares, proveyendo seguridad y comodidad a los pasajeros [4]. Este

tipo de redes se convertiran en un componente clave para el futuro del transporte inteligente.

3

Figura 1-1: Comunicacion vehıculo-a-vehıculo(V2V)

En las redes VANET existen diferentes tipos de comunicacion entre nodos o vehıculos: V2V

(del ingles: vehicle-to-vehicle, vehıculo-a-vehıculo), V2I (del ingles: vehicle-to-infrastructure,

vehıculo-a-infraestructura), V2S (del ingles: vehicles-to-sensor, vehıculo-a-sensor), y V2G

(del ingles: vehicles-to-grid, vehıculos-a-la-red). En este trabajo se utilizaran las conexiones

V2V y V2I las cuales son mostradas en las Figuras 1-1 y 1-2. La comunicacion V2V es similar

a una comunicacion ”peer-to-peer” (P2P); en la cual los nodos se comunican entre sı, sin

ningun control centralizado, mientras que en V2V, los vehıculos se comunican con el apoyo

de la infraestructura existente, la cual se despliega a lo largo de las autopistas o carreteras

[8]. En V2V, los vehıculos pueden acceder a diversos recursos desde las RSUs mas cercanas,

las cuales actuan como routers de acceso que conectan a los vehıculos a la infraestructura.

En otras palabras, las RSUs que se despliegan a lo largo de una autopista actuan como

intermediarias entre los vehıculos y la infraestructura, para la difusion de datos en forma

bidireccional.

En un ambiente IoV los vehıculos estan interconectados entre si para el intercambio y pro-

cesamiento de datos. Una de las principales caracterısticas en una red VANET es la alta

velocidad con la que se desplazan sus nodos, los cuales tienen un comportamiento de movili-

dad razonablemente predecible, puesto que los vehıculos van a seguir las normas de transito

y las trayectorias indicadas en una carretera. En este trabajo se introduce un metodo para

proporcionar un mejor desempeno en el estandar IEEE 802.11 implementado en VANET.

Este metodo esta basado en ”Ant Colony Optimization”, y busca evaluar el comportamiento

en una red VANET utilizando la informacion disponible en las redes vehiculares tales como,

la posicion y la velocidad de los vehıculos, en orden de optimizar la transmision de fiabilidad

de mensajes compartidos.

4 1 Introduccion

Figura 1-2: Comunicacion vehıculo-a-infraestructura (V2I)

1.1. Organizacion del documento

Este documento esta organizado de la siguiente manera: En el capıtulo 2 se presenta la

definicion del problema y los trabajos relacionados. En el capıtulo 3 se presenta la definicion

de objetivos.En el capıtulo 4, 5 y 8 se presenta el contexto presentando el funcionamiento y

caracterısticas de las redes VANET, el estandar IEEE 802.11p y el mecanismo AntHocNet.

En el capıtulo 7 se presenta el modelo de este trabajo basado en ACO. capıtulo 8 y 9 presentan

la simulacicapon y resultados y finalmente en el capıtulo 10 se presentan las conclusiones y

trabajo futuro.

2 Descripcion del problema y trabajos

relacionados

2.1. Descripcion del problema

En los ultimos anos se han propuesto muchos metodos y protocolos enfocados en el campo

de investigacion de las redes VANET. En un futuro cercano, se espera que los vehıculos

esten equipados de sensores y actuadores inteligentes, los cuales tendran integrados interfa-

ces de comunicacion wireless para compartir informacion entre ellos [14]. ”Vehicular Ad hoc

Network” (VANET) forma parte de ”Mobile Ad Hoc Networks” (MANET), esto significa

que cada nodo puede moverse libremente dentro de la red y permanecer conectado; estos

tambien pueden comunicarse con otros nodos mediante single-hop o multi-hop, y cualquier

nodo podrıa ser una RSU. El termino VANET originalmente fue adoptado para reflejar la

naturaleza de las redes ad-hoc altamente dinamicas [15]. Dentro de VANET cada vehıculo

puede establecer una comunicacion libremente con otro vehıculo, o con la infraestructura del

sistema, lo cual abre un nuevo paradigma en cuanto a la transmision de datos, este compor-

tamiento es mostrado en la Figura 2-1.

IoV ha propuesto un esquema en donde se integran nuevas tecnologıas en los vehıculos con

el objetivo de recopilar y analizar la informacion de los conductores, en un formato que les

permitiran tomar decisiones inteligentes para evitar zonas congestionadas y elegir las mejo-

res rutas hacia su destino. Cada vehıculo procesa y difunde la informacion suministrada por

otros vehıculos en la red, tales como: la velocidad y la posicion de un vehıculo. Uno de los

objetivos en la comunicacion inalambrica de redes vehiculares es compartir parametros del

comportamiento de los vehıculos, como lo son la posicion, velocidad y aceleracion. Para una

exitosa propagacion de mensajes en una comunicacion V2V y V2I, el tiempo de reaccion del

sistema debe estar en el orden de milisegundos [4]. La estructura de las redes vehiculares ne-

cesitan una composicion de mensajes flexibles para satisfacer las necesidades de informacion

de multiples aplicaciones que se ejecutan simultaneamente [15].

VANET presenta una infraestructura donde los vehıculos comparten un canal de informacion

para el intercambio de mensajes; con la caracterıstica de que esta carece de un coordinador

centralizado para el acceso al canal. Este tipo de redes necesitan un control de acceso al

medio eficiente para determinar la calidad del sistema de comunicacion y su escalabilidad.

6 2 Descripcion del problema y trabajos relacionados

Figura 2-1: Comportamiento de una red VANET

Para la comunicacion en VANETs, los broadcast son un elemento esencial, cuando un vehıcu-

lo transmite un mensaje este puede ser recibido por muchos vehıculos vecinos, ademas, los

mensajes de emergencia requeriran de una rapida y eficiente difusion, por lo tanto, este tipo

de redes necesitan mantener un alto nivel QoS (del ingles: quality of service, calidad del

servicio), para poder apoyar diferentes tipos de comunicacion. Una red VANET trabaja sin

un coordinador central, por esta razon, se espera que muchas aplicaciones integradas a esta

red puedan trabajar utilizando comunicaciones descentralizadas, con una alta movilidad y

con constantes cambios en el medio.

Como se menciono anteriormente las redes VANET presentan escenarios con caracterısticas

desfavorables para el funcionamiento de una comunicacion wireless tales como: alta densi-

dad de trafico, alta movilidad de los nodos, requerimientos de escalabilidad, y una amplia

variedad de condiciones ambientales, por consiguiente los canales de comunicacion pueden

sufrir facilmente una congestion. Los desafıos de una red descentralizada estan enfocados

particularmente en la elevada velocidad con la que se desplazan sus nodos. Por consiguien-

te, la alta movilidad presenta un desafıo para la mayorıa de algoritmos de optimizacion los

cuales deben estar enfocados en permitir un mejor uso del ancho de banda del canal y el uso

predefinido de rutas, para la transmision de la informacion [5]. La probabilidad de recepcion

de paquetes exitosos esta dado por el numero promedio de paquetes recibidos en funcion

de la distancia del remitente, esta metrica representa el radio de recepcion de un ”one-hop

broadcast” sin esquemas de retransmision [12].

Comparada con otras redes wireless, VANETs es altamente dinamica, los nodos o vehıcu-

los se comunican con otros usando internet-protocol (IP) [15]. El movimiento constante de

2.2 Trabajos Relacionados 7

los nodos proporciona cambios topologicos aleatorios causando un inconveniente para poder

mantener QoS. Los nodos retransmiten la informacion proporcionada por sus vecinos tan

pronto encuentran el destino, sin embargo, una gran cantidad de datos recopilados en las

autopistas son procesados por los nodos lo cual puede generar retardos. Los datos contienen

muchos atributos tales como: control e informacion geografica de diferentes lugares, por lo

tanto, este tipos de datos tienen una naturaleza heterogenea en cuanto a la variacion del

tamano, volumen y densidad [12]. La principal caracterıstica en VANET es un escenario con

una elevada velocidad de sus nodos, donde estos siguen el comportamiento propio de las

convenciones de transito.

Actualmente, IEEE802.11p es el protocolo de comunicacion mas usado para la implemen-

tacion de un tipo de comunicacion V2I. Este protocolo fue propuesto en el 2010 como una

extension del protocolo IEEE 802.11 para la comunicacion inalambrica entre vehıculos [31].

El estandar IEEE 802.11 implica que los vehıculos se pueden comunicar con otros en un

limitado rango mientras estos estan en movimiento. En adicion, este tipo de redes cuentan

con protocolos optimos para el intercambio de mensajes, sin embargo, el esquema de un

canal compartido en la capa MAC de IEEE 802.11p es altamente afectada para el desem-

peno de una comunicacion V2V y V2I. De esta manera, el sistema sufre un gran numero de

colisiones de los paquetes, y como resultado, la confiabilidad y latencia de los mensajes se

ve gravemente afectada [12].

Acorde con las restricciones y desafıos mencionados anteriormente, en este trabajo se propone

un metodo para ser ajustado al protocolo 802.11p MAC basado en Ant Colony Optimiza-

tion para evaluar el funcionamiento de VANET usando la informacion disponible en una red

vehicular tales como: la posicion de los vehıculos y velocidad. Esto con el fin de mejorar la

transmision y confiabilidad de los mensajes entregados, usando esta informacion para ayudar

en las decisiones de enrutamiento de una red vehicular. Muchas interacciones pueden ocurrir

en este tipo de red de comunicaciones descentralizada con cambios aleatorios en el medio;

llevando la solucion cerca del punto optimo. La Figura 2-2 muestra el comportamiento de

este sistema, considere un mensaje que parte desde A con destinatario C , el sistema basa-

do en ACO usa la informacion disponible entre el enlace A-B, para encontrar a C y poder

entregar el mensaje.

2.2. Trabajos Relacionados

En la revision de literatura se han propuesto diferentes metodos sobre redes Ad-hoc, redu-

ciendo la congestion en la red y proveyendo ininterrumpidos servicios a los usuarios finales.

Cauchan y Dahiya proponen un esquema para evitar los retardos sobre la red VANET, me-

8 2 Descripcion del problema y trabajos relacionados

Figura 2-2: Sistema basado en ACO

jorando la falencia presentada por la repetitiva desconexion de los nodos en la red. Este

esquema hace una extenxion del protocolo Ad-Hoc On Demand Distance Vector (AODV)

aplicando ACO [10]. Esta combinacion reduce el routing overhead y mejora el desempeno de

la red reduciendo los paquetes perdidos. El metodo fue probado sobre el protocolo de enru-

tamiento, con el fin de entregar de manera exitosa los mensajes compartidos, demostrando

la eficacia de usar Ant Colony Optimization.

Tech y College proponen un metodo implementado en un escenario VANET en donde se

intercambia informacion acerca de los accidentes que ocurren en las autopistas. Este meto-

do es implementado usando Ant Colony Optimization, sugiriendo un enfoque eficiente para

identificar un camino seguro en la red [11]. La simulacion de esta tecnica demuestra un re-

tardo menor en un escenario VANET.

Kumar y Misra proponen un metodo donde varios vehıculos son considerados como objetos

interconectados compartiendo informacion. Los datos recopilados por vehıculos, sensores y

actuadores son considerados en un ambiente IoV de naturaleza spatio-temporal debido al alto

volumen y velocidad. Por lo tanto, la entrega de mensajes con exito en este entorno depende

en gran medida del comportamiento intermedio de los nodos. Este metodo fue implementado

usando teorıa de juegos especıficamente BGC (del ingles: Bayesian Coalition Game, Juego

de coalision bayesiano); y LA (del ingles: learning automata, aprendizaje automata). Usando

LA, cada vehıculo se comporta como un agente en un juego, por cada accion tomada por

cada jugador habra una penalidad o una recompensa, con cada accion que toma cada juga-

dor, este actualiza su sistema autonomo influyendo en los vehıculos para tomar decisiones

futuras. Los resultados muestran que a medida que un agente va aprendiendo el desempeno

de la red mejora [5].

Sahoo and Kuang, proponen un metodo para la transmision de mensajes en VANET basado

en MAC, donde utilizan multiples velocidades de datos para mostrar un sistema escalable

y evitar la congestion con una alta densidad de vehıculos. El control de acceso al medio

se plantea, dividiendo la carretera en un numero de segmentos, asignando un periodo de

transmision fija a cada segmento. Luego, los vehıculos proporcionan intervalos de tiempo en

2.2 Trabajos Relacionados 9

el periodo de transmision asignado con sus respectivos segmentos [12].

Parbhakar y Singht proponen un mecanismo defensivo para VANET, enfocado en mejorar

la seguridad usando Ant Colony Optimization, se propone una heurıstica donde se calcula el

mapeo de la red de vehıculos en un area especıfica y se deduce la mejor area para compartir

informacion. Los resultados de la simulacion evaluan el rendimiento del mecanismo defensivo

propuesto proponiendo un enfoque teorico en la fiabilidad y seguridad del entorno de la red

[13].

3 Definicion de Objetivos

3.1. Objetivo principal

Disenar un modelo de comunicacion V2V y V2I basado en el protocolo IEEE 802.11p, me-

diante el uso ”Ant Colony optimization”, en orden de optimizar la transmision y fiabilidad

de mensajes compartidos en una red VANET. Se pretende comparar esta propuesta contra

el comportamiento normal de una red VANET y contra otros mecanismos de optimizacion.

3.2. Objetivos Especıficos

Proponer un modelo de optimizacion basado en ”Ant Colony optimization” que integre

balanceo de carga, para la transmision de mensajes en una red VANET.

Proponer una heurıstica para el modelo, respetando el comportamiento natural de las

redes VANET.

Implementar una simulacion usando un escenario real, en orden de validar el metodo

presentado, configurando diferentes escenarios y mayor carga vehicular.

Realizar un analisis comparativo con otros modelos de optimizacion y contra el esce-

nario normal de una red VANET.

4 VANET

VANET es una red auto-organizada que se puede formar mediante la conexion de vehıculos,

con el objetivo de mejorar la seguridad en las autopistas y la gestion del trafico mediante

el acceso a internet que se le permite a los pasajeros. Los tipos de comunicacion mas usada

en VANET son V2V y V2I. Cada nodo esta equipado con dos unidades On Board Unit

(OBU) y Aplication Unit (AU). OBU tiene la capacidad de comunicarse desde cualquier

lugar y ABU ejecuta las aplicaciones para que la comunicacion de OBU sea posible. Las

RSUs pueden conectarse a una infraestructura y esta a su vez conectarse a internet [5]. La

Figura 4-1 muestra la configuracion de este sistema. Muchas investigaciones estan siendo en-

focadas en VANET trayendo el desarrollo de nuevos protocolos aplicados a este tipo de redes.

El objetivo de VANET es proporcionar a los pasajeros informacion sobre el estado de las

autopistas, lo que lo hace una red vulnerable en seguridad, cualquier tipo de ataque puede

causar desastres en las vıas. En este capıtulo se aborda la problematica de seguridad en

VANET, las caracterısticas y desafıos de este tipo de redes, el comportamiento de este tipo

de redes enfocado en evitar trafico en las vıas, y la necesidad de mejorar el enrutamiento en

la red.

4.1. Aplicaciones en VANET

La mayorıa de aplicaciones en VANET estan enfocadas en mejorar la seguridad y reducir la

congestion en las autopistas. Las aplicaciones se explican a continuacion:

Prevencion de colisiones: Acorde con los estudios, el 60 % de los accidentes se pueden

evitar si se les proporcionara a los conductores una advertencia medio segundo antes de la

colision [7]. Si el conductor pudiera recibir exitosamente la advertencia antes, el accidente

puede ser evitado.

Cooperacion entre conductores: Los conductores pueden obtener seuales de advertencia

del trafico tales como: curvas en la carretera, advertencias de cambio de velocidad, adver-

tencias de cambio de carril, etc. Estas seuales pueden ser usadas para transmitiras a otros

conductores de un modo cooperativo para tener una tipo de conduccion mas segura e inin-

terrumpida.

12 4 VANET

Figura 4-1: Configuracion de una red VANET

Optimizacion en el trafico: El trafico puede ser optimizado con el uso se seuales de con-

gestion en la vıa, accidentes, etc., los vehıculos podrıan tomar un camino alternativo y ası

ahorrar tiempo.

El mayor enfoque en VANET es proporcionar servicios para aumentar la seguridad y reducir

la congestion, sin embargo VANET tambien puede proporcionar aplicaciones de entreteni-

miento tales como:

Intercambio de Archivos: La estructura de VANET permitira proporcionar servicios para

compartir musica, pelıculas, etc., entre los servicios de la red.

Conectividad a internet: VANET podra proporcionar internet a los pasajeros que se en-

cuentren dentro de los vehıculos de la red [10].

4.2. Caracterısticas de VANET

Algunas de las principales caracterısticas de VANET son nombradas a continuacion:

Alta Movilidad: Los nodos dentro de una red VANET generalmente se estan moviendo

4.3 Desafıos en una red VANET 13

con altas velocidades. Esto hace difıcil predecir la posicion del nodo, presentando un desafıo

para la entrega de mensajes del mismo y la seguridad.

Cambios Topologicos en la Red: Debido a la alta movilidad, consecuencia de la velo-

cidad con la que se desplazan los nodos, la posicion de los nodos cambia frecuentemente.

Como resultado la topologıa en una red VANET esta cambiando constantemente.

Ilimitado tamauo de la red: VANET puede abordar una ciudad, muchas ciudades, o un

paıs entero. Esto significa que el tamauo de una red VANET geograficamente es ilimitado.

Frecuente Intercambio de Informacion: La naturaleza de VANET implica que los

nodos deben recoger informacion de otros vehıculos y unidades ubicadas a lo largo de las

autopistas. Por lo tanto el intercambio de informacion entre los nodos se vuelve frecuente.

Comunicacion Wireless: El diseuo de VANET se desarrolla en un ambiente wireless. Los

nodos siempre estan intercambiando informacion vıa inalambrica, sin embargo esto podrıa

traer inconvenientes en la confidencialidad de los datos.

Tiempo: La informacion que comparten los vehıculos en una red VANET debe ser entre-

gada dentro de un tiempo lımite, este tiempo se vuelve crıtico ya que influye directamente

sobre las decisiones que toma el conductor.

Energıa: Las redes VANET demandan una gran cantidad de energıa, para el mantenimiento

de los recursos de computacion que se tienen sobre la red [30].

4.3. Desafıos en una red VANET

Aunque una red VANET cuenta con muchas caracterısticas que la distingue de otras redes,

para su correcto funcionamiento VANET impone muchos desafıos. Algunos de ellos son men-

cionados a continuacion:

Administracion de la red: Debido a la alta movilidad, la topologıa de la red y las condi-

ciones del canal de comunicacion cambian rapidamente. En consecuencia, no se pueden usar

estructuras conocidas, como la estructura de arbol, debido a que estas topologıas no resisten

multiples cambios en un corto periodo de tiempo.

Congestion y Control de Colisiones: El ilimitado tamauo de la red crea un gran desafıo.

La densidad de trafico puede aumentar demasiado en horas pico y en areas rurales. En con-

secuenca, la red puede colapsar en horas pico, y por lo tanto no se tendra control sobre los

14 4 VANET

accidentes en la vıa y congestiones en la misma.

Implementacion en MAC: VANET generalmente utiliza un medio compartido para co-

municarse, de ahı que el diseno de MAC es clave para el funcionamiento de la red.

Seguridad: Debido a las multiples aplicaciones que ofrece VANET, la integridad de los

datos es vulnerable a ataques, por lo tanto es un desafıo a tener en cuenta.

Aparte de los desafıos tecnicos que trae implementar una red VANET, tambien se tienen

retos sociales y economicos. Es difıcil convencer a los fabricantes, de invertir en un sistemas

que puede traer consecuencias por su alta vulnerabilidad. Si este tipo de redes llegara a te-

ner un ataque de gran magnitud esto podrıa traer consecuencias a los datos confidenciales [4].

4.4. Enrutamiento en VANET

Tradicionalmente un vehıculo es un sistema de locomocion que funciona por comandos de

un conductor. Recientes avances en sistema de comunicaciones y control han cambiado este

modelo, para hacer que los vehıculos se comporten de una manera autonoma e inteligente,

llegando ası a una red inteligente de vehıculos. VANET se comporta como una red inalambri-

ca (WLAN), pero en lugar de conectar dispositivos moviles y ordenadores conecta vehıculos,

presentando un escenario para la nueva generacion de comunicaciones inalambricas.

Antes de la propagacion de informacion, los vehıculos necesitan procesar algunos datos (es

decir, las mediciones de uno o mas parametros locales). Los protocolos de difusion y apli-

caciones basadas en gran medida, dependen de este mecanismo para consolidar su diseno.

Este esquema es mostrado en la Figura 4-2. Algunos trabajos, como el mencionado en [5],

cambian este esquema, ya que los vehıculos realizan mas procesamiento de datos al tener

mecanismo de Learning Automata (LA).

Por otro lado, las ventajas que traera las aplicaciones en VANET abre un nuevo esquema. Si

los vehıculos pueden comunicarse directamente entre sı, y con una infraestructura, un para-

digma completamente nuevo para las aplicaciones de seguridad en las carreteras y autopistas

puede ser creado. Por ejemplo, si ocurre un accidente en la carretera y este es monitoreado

por los vehıculos cerca al evento, estos pueden propagar la informacion mas lejos a traves

de otros vehıculos cercanos; y estos recalcularan su ruta buscando otras alternativas. Esto

proporcionara una gran disminucion en la congestion resultando en un sistema de transporte

eficiente y optimo. La Figura 4-3, ilustra este esquema en el cual vehıculos cooperan entre

sı, informando un mensaje de alerta de trafico.

4.4 Enrutamiento en VANET 15

Figura 4-2: Propagacion de datos en vehıculos

Figura 4-3: Trafico evitado en una comunicacion V2V y V2I

16 4 VANET

Aunque son muchas las aplicaciones que trae una red VANET, la conectividad de la red juega

un papel muy importante. Es comun en las redes MANETs propagar la informacion usando

flooding. En este tipo de redes, cada nodo retransmite la informacion a sus vecinos. Para

evitar la duplicacion infinita de paquetes, como maximo cada nodo transmite solo una vez.

Ademas, TTL (del ingles: time of live, tiempo de vida), es usado para limitar el area donde

el paquete se propaga. El procedimiento general es que si un vehıculo detecta un incidente o

situacion en la carretera, esta debe ser comunicada a otros vehıculos. La idea es introducir

reglas dentro de la conectividad de la red, acerca de si un nodo o vehıculo determinado debe

reenviar un paquete adaptando las retransmisiones usadas acorde con el trafico presente en

la red. En una red MANET, los nodos moviles deben cooperar entre ellos, proveyendo un

enrutamiento distribuido entre los vehıculos. Puesto que las redes VANET tienen una falta

de control centralizado; caracterıstica principal de este tipo de redes, el enrutamiento se

convierte en un tema central y un reto importante debido al cambio aleatorio de la topologıa

de la red [19].

En contexto, para el correcto funcionamiento en una red VANET, el enfoque no se limita a

la retransmision de mensajes en la red, es necesario el diseno de algoritmos de optimizacion

que se adapten a las demandas de la red. En estos casos un vehıculo pedira explıcitamen-

te obtener informacion especifica, mediante la transmision de un mensaje de solicitud. El

destinatario puede conocer la informacion de la solicitud, por ejemplo, si el usuario solicita

los precios de gasolina de las estaciones cerca de donde el se encuentra, o pide informacion

de los sitios de parqueo cercano, etc. La transmision de este tipo de mensajes, puede ser

transmitido de diferentes maneras, de acuerdo a la cooperacion que se implemente en los

vehıculos. Por ejemplo a menudo se ha observado la eficiencia de la transmision de informa-

cion de vehıculos que conducen en sentido contrario [30].

5 Entorno de comunicacion en una red

vehicular

Para el funcionamiento de una red vehicular se han definido algunos estandares y protocolos,

los cuales seran analizados en este capıtulo.

5.1. IEEE 802.11p

Los protocolos mas comunes de control de acceso al medio son: TDMA (del ingles: Time Divi-

sion Multiple Access, Acceso multiple por division de tiempo), FDMA (del ingles: Frequency

Division Multiple Access, Acceso multiple por division de frecuencia) y CDMA (del ingles:

Code-Division Multiple Access, Acceso multiple por division de codigo). Para cualquiera de

estos protocolos manejar la comunicacion mediante time-slots con diferentes canales y co-

dificacion es complicado en redes vehiculares, debido a que se requiere sincronizacion, esto

es difıcil de alcanzar ya que en este medio se tiene una alta movilidad, caracterıstica de

las redes VANET. Para la comunicacion entre vehıculos es necesario la utilizacion de un

estandar que defina las reglas de comunicacion, en redes vehiculares el protocolo mas utili-

zado actualmente es el IEEE 802.11p. Basicamente, este protocolo utiliza CSMA/CA (del

ingles: Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, acceso multiple con escucha

de portadora y evasion de colisiones), el cual permite obtener un slot en tiempo real; en

un canal de comunicaciones, usando un algoritmo para acceso al canal de forma aleatoria.

IEEE 802.11p se adapta a las caracterısticas especıficas que tienen que ser respetadas en una

comunicacion vehıculo-a-X; este es una adaptacion de la familia de estandares IEEE 802.11,

la cual define la tecnologıas y reglas ampliamente usadas en redes de area local inalambricas

(WLAN). Diferentes estandares para redes inalambricas adaptadas a redes vehiculares son

mostradas en la Figura 5-1.

La mayorıa de los protocolos IEEE 802.11 estan disenados sobre una red que contiene un

controlador centralizado donde los nodos pueden acceder a el mediante el uso de AP (del

ingles: Acces point, punto de acceso). En una red VANET el uso de APs es limitado, debido

a la carencia de infraestructura, caracterıstica propia de una red Vehicular [4]. En lugar de

esto, es comun utilizar una comunicacion P2P en donde los nodos actuan como infraestruc-

tura. Por otro lado, una red VANET difunde un mensaje mediante el uso de broadcast, por

18 5 Entorno de comunicacion en una red vehicular

Figura 5-1: WAVE Protocolos IEEE

esta razon modificaciones en el estandar IEEE 802.11 son necesarias. El objetivo de la capa

de control de acceso al medio es decidir el acceso al medio compartido, que en este caso es un

canal inalambrico. ITS (del ingles: Intelligent tranport Systems, Sistemas de transporte inte-

ligente), usa un modo cooperativo con el fin de extender el intercambio de mensajes y poder

dominar las restricciones de tiempo y espacio que se presentan en este tipo de redes, ası como

detectar las maniobras de los conductores, detectar situaciones de trafico o problemas en las

autopistas o carreteras. Si el metodo usado, no tiene un sistema eficiente de sincronizacion,

esto puede derivar en colisiones haciendo que aumente la cantidad de mensajes perdidos y

generando trafico en la red [20]. El escenario ideal para el control de acceso al medio (MAC),

es prevenir que dentro de un rango delimitado todos los nodos transmitan al mismo tiempo,

previniendo el numero de colisiones entre los paquetes, de igual manera es importante que

MAC sea eficiente, proveyendo la capacidad de dar prioridad a los paquetes, segun el tipo

de paquete. La arquitectura para una red vehicular propuesta por ITS es mostrada en la

Figura 5-2.

En un escenario, con una alta movilidad de los nodos, los mensajes se transmiten mediante

el uso de DSRC (del ingles: Dedicated Short-Range Communication Protocol, Protocolo de

comunicacion de corto alcance). Inicialmente DSRC fue utilizado en Europa, para controlar

el pago de peajes electronicos, pero hoy en dıa este fue adaptado como un protocolo de

comunicaciones [15]. El modo de funcionamiento de la tecnologıa inalambrica, solo permite

escuchar un canal a la vez, el diseno de DSRC permite a cada vehıculo tener un unico trans-

ceptor; el inconveniente de esto es la dificultad para monitorear un nodo. Para solucionar

este problema, es necesario equipar o bien un OBU o RSU con multiples transceptores los

cuales les permiten el acceso a multiples canales simultaneamente [20]. Por ejemplo, si un

OBU esta equipado con dos transceptores, un transceptor puede controlar el canal de con-

trol, mientras que la comunicacion esta asumiendo un canal de servicio, pero es difıcil tener

multiples radios lo cual aumenta la complejidad y el costo.

5.1 IEEE 802.11p 19

Figura 5-2: Arquitectura para Sistema de Transporte Inteligente

El desafıo de DSRC es predecir que los vehıculos tendran un solo receptor, ya que solo puede

escuchar un canal, para tener control y coordinacion. El estandar 802.11 define dos proto-

colos MAC, DCF (del ingles: Distributed Coordination Function, Funcion de Coordinacion

Distribuida) y PCF (del ingles: Point Coordination Function, Funcion de Coordinacion de

Punto). DCF es un protocolo de acceso basado en contencion asıncrona; en el que todos los

nodos que tienen datos para enviar compiten por el acceso al canal. Por otro lado, PCF es

un protocolo de contencion que proporciona acceso al medio mediante la programacion de

transmision activada solo cuando el nodo puede transmitir. Protocolos libres de contencion,

como el PCF, permiten el uso de servicios en tiempo real [34]. Aunque hay ventajas al usar

el PCF, este no es aplicable para la mayorıa de escenarios en VANET porque se basa en un

nodo central para apoyar la entrega en tiempo real de los paquetes, por esta razon, en una

comunicacion VANET generalmente se usa DSRC con DFC.

La familia de protocolos 802.11 gestionan los recursos del medio de manera eficiente, espe-

cialmente cuando se transmite por broadcast [15]. Puesto que MAC no tiene definido un

estandar para la recuperacion de mensajes perdidos, dentro de una red VANET basada en

802.11 la tasa de recepcion de mensajes broadcast pueden ser muy baja cuando hay aglome-

racion de vehıculos, sobre todo en condiciones de saturacion de mensajes. Un nodo no sabe

20 5 Entorno de comunicacion en una red vehicular

si los paquetes que envıa son correctamente entregados o no, conoce el porcentaje exacto de

los paquetes enviados desde los vecinos que se recibe con exito basandose en el porcentaje de

paquetes que se reciben con exito en los ultimos segundos, un nodo es capaz de determinar

las actuales condiciones locales de la red y estimar aproximadamente el numero de vecinos

en su rango de comunicacion [12]. Por lo tanto, un nodo es capaz de ajustar dinamicamente

los parametros que utiliza, como el tamano de ventana de contencion, tasa de transmision

para mejorar la probabilidad de entrega de broadcast.

5.2. Protocolos de enrutamiento

El procedimiento general es que si un vehıculo detecta un incidente o situacion, esta debe ser

comunicada a otros vehıculos como se mostro en la Figura 4-1. El vehıculo fuente comien-

za a distribuir esta informacion, teniendo en cuenta el comportamiento natural de una red

VANET. Acorde a esto, se requiere un tipo diferente de enrutamiento con el proposito de

hacer frente al entorno VANET. Este es un aspecto de gran importancia, ya que el objetivo

de la metrica es reducir el retraso de entrega de los paquetes, con el fin de proporcionar un

mayor rendimiento durante el proceso de transmision. La principal idea en el diseno de estos

metodos, es influir en el comportamiento de reenvıo de paquetes a los vehıculos, permitiendo

a cada nodo o vehıculo decidir si un paquete debe ser reenviado o no de acuerdo a las reglas

definidas por el protocolo[34]. El enrutamiento es el proceso de encontrar un camino desde

un nodo fuente a un nodo de destino, donde cada uno de los protocolos existentes en la

literatura presentan un diseno con unica arquitectura, con respecto a las capas de enlace de

datos, red y transporte del modelo OSI.

Segun lo anterior, la influencia del diseno de un protocolo de enrutamiento tiene un efecto

positivo en los aspectos multidimensionales de servicios de comunicacion VANET. Puesto

que cada nodo tiene un alcance de transmision limitado, los mensajes a menudo pueden

ser remitidos de varias fuentes, por otros nodos en un escenario MANET. Existen dos tipos

de protocolos de enrutamiento en una red ad-hoc, los cuales son: Topology-based-routing

(enrutamiento basado en la topologıa) y Location-based-routing (enrutamiento basada en

la ubicacion). Los protocolos de enrutamiento basado en la topologıa utilizan la informacion

acerca de los enlaces entre vehıculos, que existen en la red para realizar el reenvıo de pa-

quetes. Por otra parte, los protocolos de enrutamiento basados en la ubicacion, utilizan la

informacion de posicion de los nodos para la transmision de paquetes [33]. Ası mismo, los

protocolos pueden ser subdivididos en protocolos proactivos y reactivos. VANETs puede ser

visto como un tipo particular de red ad-hoc inalambrico donde cada nodo es un vehıculo

que se puede comunicar con otros vehıculos o con las RSUs. Mas de un tipo de red ad-hoc

inalambrica, puede calcular sus rutas utilizando cualquiera de los tipos de protocolos de en-

rutamiento mencionados anteriormente. La Figura 5-3 muestra los protocolos en VANETs,

5.2 Protocolos de enrutamiento 21

Figura 5-3: Protocolos de enrutamiento usados en VANET

protocolos basados en topologıa puede definirse como esquemas de encaminamiento en la que

los nodos logran un conocimiento (total o parcial) de la topologıa de red, la cual se utiliza

para calcular las rutas [34].

Asimismo, los protocolos de enrutamiento disenados para redes ad-hoc inalambricas hacen

uso de las tablas de enrutamiento. Cada nodo mantiene una tabla de enrutamiento para

almacenar las rutas que tienen que ser usadas para transmitir paquetes hacia un destino

dado. La principal diferencia entre los protocolos proactivos y reactivos consiste en la forma

en que las tablas de enrutamiento se calculan y se actualizan. Protocolos proactivos como

OLSR (Optimized Link State Routing) se basan en un continuo intercambio de mensajes de

control que ayuda a los nodos para lograr un conocimiento actualizado de la topologıa de

red. Un nodo comprueba periodicamente el estado de la conectividad de los enlaces hacia

sus vecinos directos. En perıodos regulares, o cuando la deteccion de conectividad cambia;

este informa al resto de los nodos sobre el estado de sus enlaces. Generalmente, esto se hace

al inundar la red con mensajes de control o mensajes HELLO [33].

Otro protocolo disenado para redes ad-hoc moviles es AODV (del ingles: Ad hoc On-Demand

Distance-Vector), en donde los nodos se pueden comunicar con los vecinos directos. Un nodo

mantiene un registro de sus vecinos al escuchar un mensaje de saludo que cada nodo emite,

en intervalos de tiempo establecidos. Cuando un nodo necesita enviar un mensaje a otro

nodo que no es su vecino, se difunde un mensaje RREQ (del ingles: Route Request, o men-

saje de solicitud de ruta). El mensaje RREQ contiene varios bits de informacion clave: la

fuente, el destino, el tiempo de vida de un mensaje y un numero de secuencia que sirve como

un identificador unico [18]. El sucesor de AODV es DYMO (del ingles: Dynamic Manet on

Demand, MANET dinamico bajo demanda). DYMO funciona de manera similar a AODV;

22 5 Entorno de comunicacion en una red vehicular

es un protocolo puramente reactivo en el que se calculan las rutas bajo demanda es decir,

solo cuando sea necesario. A diferencia de AODV, DYMO no difunde mensajes HELLO in-

necesarios y su funcionamiento se basa puramente en los numeros de secuencia asignados a

todos los paquetes. Este protocolo emplea los numeros de secuencia para asegurar la entrega

exitosa de paquetes. Dymo permite bajo demanda, el uso de multi-hop usando el tipo de

enrutamiento unicast entre los nodos en una red movil ad-hoc, el descubrimiento de una ruta

de un nodo fuente a un nodo destino se realiza unicamente cuando no se tiene informacion

de esta ruta en la tabla de enrutamiento, y la actualizacion de las rutas se realiza cada cierto

tiempo, para eliminar las rutas inexistentes de la tabla de enrutamiento y tambien para

reducir la probabilidad de perdidas de paquetes [22].

Con el fin de analizar los mensajes compartidos entre vehıculos, cada nodo puede calcular

y actualizar la topologıa local de la red. A su vez, esta topologıa se utiliza para calcular las

rutas de desvıo y actualizar las tablas de enrutamiento. Siguiendo este enfoque, el diseno

de control centralizado, necesita encargarse de actualizar las tablas de enrutamiento, por

esta razon, la adopcion de los protocolos de enrutamiento dinamico solo se hace cuando los

paquetes de datos de origen se transmiten con frecuencia a traves de la red. Por otra parte,

la eficiencia del canal de protocolos proactivos disminuye altamente en el caso de las redes

moviles ad-hoc o MANET. En MANETs, la movilidad de los nodos se determina por los

cambios en la topologıa frecuentes, que tienen que ser notificados con mensajes de control.

Cuando el trafico de datos de origen no se genera de forma continua y tiene que ser trans-

mitida en escenarios moviles, la adopcion de protocolos reactivos es preferible.

Por otro lado, los protocolos basados en la posicion, tambien denominados GeoRouting ;

adoptan un enfoque haciendo uso del reenvio de mensajes. En este caso, se seleccionan los

nodos que reenviaran la informacion, en base a su capacidad para llevar progresivamente pa-

quetes de datos transmitidos mas cerca del destino. Ejemplos basicos de protocolos basados

en la posicion, utilizando este esquema son: GPSR (del ingles: Greedy Perimeter Stateless

Routing, Greedy enrutamiento por perımetro) y CBF (del ingles, Contention-Based Forwar-

ding), ambos son comunmente utilizados para la distribucion de paquetes en las tradicionales

redes moviles Ad-hoc o MANET. En GPSR, el nodo destino revisa en su tabla de localiza-

cion, para encontrar el vecino con la distancia mas corta. Una vez que se detecta este vecino,

el paquete de datos es re-transmitido de forma unicast. Por el contrario, en CBF, el paquete

de datos se reenvıa usando transmisiones broadcast. Junto con la posicion del destino, el

paquete tambien lleva la informacion de posicion del nodo fuente [35] [36]. Para el analisis de

esta informacion, cada receptor puede calcular la posicion geografica de su destino. Al recibir

un paquete, cada receptor activa un temporizador cuya expiracion desencadena la transmi-

sion de paquetes. Dado que la duracion de este temporizador es inversamente proporcional al

progreso proporcionado, el receptor mas cercano al destino retransmite el paquete primero.

Cuando se activa el temporizador, los otros nodos desactivan su de radiodifusion lo cual

5.2 Protocolos de enrutamiento 23

tambien ocurre cuando tienen informacion del paquete reenviado [34].

No obstante, existen protocolos que son una combinacion de enrutamiento, basados en la

posicion, trayectoria, y topologıa de la red [37]. La idea principal de este tipo de protocolos,

es utilizar la informacion del medio en un contexto especıfico de dominio para ayudar a la

decision de enrutamiento. El nodo de origen utiliza la informacion en un contexto global

para calcular la trayectoria de reenvıo y ası evitar de manera eficiente los inconvenientes en

la topologıa. Los nodos intermedios utilizan la informacion de contexto local para reenviar

de manera rapida los paquetes a lo largo de la trayectoria, en torno a favorecer el reenvıo de

paquetes unicast, el metodo que emplea enrutamiento y reenvıo tambien pueden extenderse

a apoyar muchas otras funciones de red importantes, tales como la radiodifusion, multidifu-

sion, multipath, descubrimiento de nuevas rutas, y resiliencia.

Ası como, los protocolos trabajan con el fin de mejorar el rendimiento en la red, hay propie-

dades especiales de trafico de la carretera utilizados para predecir la ubicacion de un vehıculo.

El flujo de trafico se puede generalizar a una lınea con un flujo de trafico bidireccional y la

velocidad de un coche no es al azar, ya que cada coche viaja a lo largo de un conjunto de

carreteras fijos; siguiendo unos patrones de transito. Por lo tanto, los coches que viajan en

la direccion opuesta se conectan solo brevemente, mientras que los que se desplazan en la

misma direccion estan conectados por largos perıodos de tiempo. Como se muestra en las

Figuras 5-4 y 5-5, la probabilidad de que un enlace se caiga es mucho mas pequena si se

utilizan los enlaces proporcionados por los vehıculos que viajan en sentido contrario de la

carretera. Al elegir pares en la misma direccion en lugar de la direccion opuesta, los cam-

bios en la topologıa se reducen considerablemente. Esta polıtica de seleccion de pares tiene

un mayor potencial de reduccion de la tasa de cambios en la topologıa, la reduccion de la

frecuencia de los cambios de ruta, y el aumento de la eficiencia de enrutamiento [33].

24 5 Entorno de comunicacion en una red vehicular

Figura 5-4: Transmision en una direccion

Figura 5-5: Transmision usando los dos sentidos de la carretera

6 AntNet

El metodo Ant Colony Optimization, basado en un comportamiento natural, ha abierto mu-

chas soluciones para diferentes metodos de optimizacion. En este capitulo se describira este

mecanismo, ası como el enfoque en problemas de enrutamiento.

6.1. Funcionamiento

En la meta-heurıstica ACO, una colonia de hormigas artificiales colabora en la busqueda

de buenas soluciones globales a problemas de optimizacion difıciles [23]. Las hormigas ar-

tificiales son una abstraccion del comportamiento de las hormigas reales, estas tienen la

capacidad de encontrar el camino mas corto, cuando estas estan buscando su alimento. Las

hormigas se comunican indirectamente con otras hormigas dejando un rastro de sustancia

quımica, llamada feromona, que guıa a otras hormigas a tomar el camino mas corto. Las

hormigas empiezan a explorar todas las rutas disponibles, buscando su alimento. Por tanto,

estos caminos atraen mas hormigas, que a su vez al aumenta el nivel de feromonas, hasta que

hay una convergencia de la mayorıa de las hormigas en el camino mas corto. La Figura 6-1

muestra este comportamiento. La intensidad local del campo de feromonas, es el resultado

general de las experiencias repetidas y concurrentes trayectoria de muestreo de las hormigas,

codifica una medida distribuida espacialmente de la bondad asociado con cada movimiento

posible [25].

Las colonias de hormigas, y mas en general las sociedades de insectos, son sistemas que, a

pesar de la sencillez de sus individuos, presentan una organizacion social altamente estruc-

turada y distribuida. Como resultado de esta organizacion, las colonias de hormigas pueden

realizar tareas complejas que en algunos casos superan con creces las capacidades individua-

les de una sola hormiga [29]. Las hormigas naturales dejan un rastro de feromona a medida

que se mueven. Los caminos mas cortos se pueden completar mas rapido y con mayor fre-

cuencia por las hormigas, y por tanto, seran marcados con la intensidad de feromonas mas

alta. Hormigas cooperan por medio de la informacion que leen al mismo tiempo que rastrean

lugares. La cantidad de feromona que se deposito en la trayectoria, que podrıa depender de

la cantidad y calidad de la comida, guiara otras hormigas a la fuente de alimento. Estos

rastros de feromonas se evaporan con el tiempo, lo que permite a las hormigas olvidar su

estado anterior. Esta forma de control distribuido basado en la comunicacion indirecta entre

26 6 AntNet

Figura 6-1: Comportamiento de una Colonia de Hormigas

los agentes que modifican localmente el medio ambiente y reaccionar a estas modificaciones

se llama stigmergy [23]. Este metodo, propone una forma de comunicacion entre las hormi-

gas individuales para guiar a todas las hormigas a obtener una solucion optima de manera

eficiente.

Las redes de comunicaciones se pueden clasificar como una conmutacion de circuitos. En

las redes de conmutacion de paquetes, tambien llamados redes de datos, cada paquete de

datos puede, en principio, seguir una ruta diferente, donde hay circuitos virtuales fijos que

estan establecidos. En este caso, los ejemplos tıpicos son las redes locales de computacion

y de Internet. Podrıa decirse que la funcion principal de una red de datos, es asegurar la

distribucion de la informacion entre sus usuarios. Esto se puede lograr a traves de la explo-

tacion de un sistema de control de red adecuada. Diferentes investigaciones en AntNet, han

implementado algoritmos basados en ACO disenados para ayudar a resolver el problema

de enrutamiento en redes de telecomunicaciones. El enrutamiento en una red se refiere a

las actividades necesarias para guiar a la informacion en su recorrido desde la fuente hasta

los nodos destino. Es un problema importante, difıcil de resolver, ya que tiene una fuerte

influencia a nivel global en el rendimiento de la red.

Debido a las caracterısticas de las redes como el trafico y la topologıa de la red; las variables

6.1 Funcionamiento 27

pueden variar estocasticamente y de forma constante en el tiempo. Esta es una caracterısticas

del problema, ademas de la distribucion fısica del problema una red real, lo que hace que los

algoritmos ACO sean un metodo particularmente prometedor para su solucion. De hecho, el

paradigma de procesamiento de ACO es una buena solucion para mecanismos de naturaleza

distribuida, donde se presenta un alto nivel de redundancia y tolerancia a fallos, y se pueden

manejar multiples objetivos y limitaciones de una manera flexible. Aunque AntNet tiene

multiples algoritmos desarrollados para problemas de enrutamiento, ACO se ha convertido

en uno de los principales porque es el unico algoritmo que ha alcanzado, al menos a nivel

experimental y en simulaciones, un buen desempeno [27].

ACO es basicamente una tecnica enfocada en optimizar, acelerando el proceso de una

heurıstica. Algoritmos de enrutamiento basados en Ant Colony Optimization forman una

familia de algoritmos que normalmente convergen a las rutas mas optimas en enrutamiento.

La idea principal de este metodo es que los principios de auto-organizacion de hormigas,

que permite el comportamiento altamente coordinado de las hormigas naturales, pueda ser

explotado para coordinar las poblaciones de agentes artificiales que colaboran para resolver

problemas computacionales. En los ultimos anos, cientıficos de la computacion fueron capa-

ces de transformar los modelos de inteligencia colectiva de las hormigas en optimizacion y

control de algoritmos utiles [27] [28]. ACO se ha utilizado para diferentes problemas de opti-

mizacion combinatoria, como el problema del viajero y el problema de asignacion cuadratica

[23]. Los experimentos muestran claramente que las colonias de hormigas tienen una capaci-

dad de optimizacion integrada de uso de reglas probabilısticos basados en informacion local

que puedan encontrar el camino mas corto entre dos puntos en su medio ambiente [29].

ACO es una meta-heurıstica, con decenas de areas de aplicacion, el desempeno de los al-

goritmos que utilizan ACO bajo una comprension teorica, se ha incrementado de manera

significativa, hay varias areas en las que hasta ahora han sido comenzadas investigaciones

preliminares y donde los aportes pueden ser multiples. Una de estas areas de investigacion

es la extension de los algoritmos de ACO en problemas de optimizacion mas complejos que

incluyen problemas dinamicos, en los que los datos, valores objetivos de funciones, parame-

tros de decision, o limitaciones, pueden cambiar dinamicamente; problemas estocasticos, en

el que se tiene solo informacion probabilıstica sobre el valor de la funcion objetivo, valores

de las variables de decision, o los lımites de restriccion, debido a la incertidumbre, el ruido,

la aproximacion, u otros factores; y multiples problemas objetivos, en el que una funcion

objetivo evalua criterios de calidad de la solucion [29].

28 6 AntNet

6.2. Problema de enruamiento

ACO es una tecnica que basicamente se enfoca en optimizar y acelerar el proceso de enruta-

miento en una red. Algoritmos de enrutamiento basados en Ant Colony Optimization forman

parte de una gran familia de algoritmos utilizados para el enrutamiento. Con la transforma-

cion de los modelos de inteligencia colectiva de las hormigas en optimizacion y control de

algoritmos, ACO ha logrado resolver problemas de enrutamiento en redes de comunicaciones.

En redes Mobile Ad-hoc, se supone que todos los nodos son moviles, y se comunican entre si

a traves de comunicaciones inalambricas. AntHocNet es un algoritmo de trayectoria multiple

hıbrido disenado con base en los principios de enrutamiento ACO [30]. Cuando un nodo a

inicia una sesion de comunicacion con un nodo de destino d, en un estado donde a no tiene

informacion de enrutamiento,se envia un broadcast de hormiga reactiva F ad . Aquı se da un

inicial broadcasting, en donde cada vecino de a, recibe una replica F ad (x) de F a

d . El trabajo

de cada hormiga F ad (x) es encontrar un camino entre a y d. La informacion de enrutamiento

de un nodo i es representada por una tabla de feromonas T i, donde cada entrada T ind ∈ R.

Las hormigas eligiran el siguiente salto n con una probabilidad Pnd dada por:

Pnd =(T ind)

β∑jεN i

d(Tijd)

β(1)

Donde,

β > 1

y N id, es el conjunto de vecinos de i que conocen un camino a d, y β es un parametro que

puede reducir el comportamiento exploratorio de las hormigas.Con broadcasting, las hormi-

gas se proliferar rapidamente por la red, siguiendo diferentes caminos hacia el destino. En

el procedimiento se eliminan los caminos erroneos que siguieron las hormigas, y mantiene

los caminos correctos. La estrategia de enrutamiento probabilıstico conduce a la carga de

difusion de datos con un consecuente balanceo de carga automatico . Cuando un camino es

claramente mas deficiente que los demas, se evita, y su congestion se alivia. Otros caminos

conseguiran mas trafico, lo que lleva a una mayor congestion en estos.

Con el fin de mantener el balanceo de carga, es necesario conocer todos los caminos que

conducen a d. De acuerdo con esta estrategia, no se debe elegir de antemano cuantos cami-

nos se van a utilizar, los caminos se seleccionaran automaticamente segun su calidad. Esto

es muy importante en MANETs, debido a que el ancho de banda del canal inalambrico es

muy limitado. Al adaptar continuamente el trafico de datos, los nodos intentan repartir la

carga de datos de manera uniforme sobre la red. A fin de obtener una malla de multiples

caminos suficientemente adecuada para soportar el trafico se usa la configuracion mostrada

en la Figura 6-2, que proporciona un mejor soporte en caso de fallos del enlace. Ademas de

6.2 Problema de enruamiento 29

Figura 6-2: Configuracion broadcast en Ant Colony

esta estrategia, se tiene varias opciones para elegir cuando un paquete se envıa de a a d, este

elegira un camino de acuerdo con el nivel de feromona depositada en cada ruta.

Sumado a elegir el camino correcto, tambien es importante vigilar con frecuencia los enlaces

de los diferentes caminos para mantener actualizadas las diferentes rutas y ası, no se pre-

senten paquetes perdidos. Para esto se utilizara el metodo de ”proactive path maintenance

and exploration” o mantenimiento de los caminos proactivos y de exploracion el cual se des-

cribe en [30]. En este proceso, mientras que una sesion de datos esta en ejecucion, el nodo

fuente comienza a enviar hormigas proactivas segun la tasa de datos que se mantiene (una

hormiga cada n paquetes de datos). Si una hormiga proactiva llega al destino, simplemente

se actualiza el nivel de feromona del camino existente y se calcularan y actualizaran, los

niveles de feromonas a lo largo de la ruta desde el origen al destino. Sin embargo, si la hor-

miga transmite desde cualquier punto, y encuentra un camino que ya es conocido; esta lo

dejara y explorara nuevos caminos. Es posible que los nodos vecinos no encuentren valores

de feromona apuntando hacia el destino, en este caso los nodos realizaran un broadcast a

sus vecinos, repitiendo de nuevo el proceso. Las hormigas proactivas, entonces, proliferaran

e inundaran rapidamente la red, tal como lo hacen las hormigas naturales en la vida real.

Con el fin de evitar la congestion causada por el envio de mensajes broadcast, se usaran

mensajes HELLO. Con el uso de estos mensajes, los nodos conocen el estado de sus vecinos

inmediatos y obtienen la informacion de nivel de feromonas y sus tablas de enrutamiento.

Ası que cuando una hormiga llega a un vecino y este conoce el destino, esta puede ir direc-

tamente a su objetivo. Con base en el modelo de colonia de hormigas presentado en [29],

puede ser explicada la difusion de feromonas en donde : la feromona depositada y difundida

30 6 AntNet

sobre la tierra, puede ser detectado tambien por hormigas que se encuentren mas lejos. Los

mensajes HELLO tambien tienen otro proposito, mediante estos se pueden detectar enlaces

rotos. Esto permite que los nodos puedan actualizar sus tablas evitando enviar paquetes por

enlaces rotos, este es un mecanismo comunmente utilizado en infraestructuras de comunica-

ciones [30].

Los nodos pueden detectar fallos en un enlace cuando las transmisiones unicast (de paquetes

de datos o envio de hormigas) fallan, o cuando se espera la respuesta de un mensaje HELLO

y esta no es recibida. Cuando falla un enlace, un nodo puede perder un camino a uno o a

muchos destinos. Si el nodo tiene otras alternativas en saltos continuos del mismo enlace, o

si el enlace perdido no fue utilizado regularmente para enviar datos, esta perdida no es tan

importante, el nodo actualizara su tabla de enrutamiento y enviara una notificacion de la

actualizacion a su vecinos. Por otro lado, si esta ruta se utiliza regularmente para el trafico

de datos, y es la unica alternativa para este destino, la perdida es importante y el nodo debe

intentar reparar el camino. Esta es la estrategia seguida en AntHocNet, con la restriccion de

que un nodo solo repara la ruta si la perdida de enlace fue descubierto con una transmision

de paquetes de datos fallidos[30].

7 Modelo del sistema

En esta seccion se presenta un modelo basado en Ant Colony Optimization, orientado a

optimizar una comunicacion V2V y V2I en una red vehicular en un entorno IoV, donde los

usuarios quieren acceder a diversos recursos del sistema desde cualquier lugar.

En la Figura 7-2 se muestra como varios vehıculos en el entorno IOV interactuan entre sı para

acceder a diversos recursos. La intencion es que los vehıculos tengan acceso a los diferentes

recursos desde cualquier lugar con un tiempo reducido lo cual es una caracterıstica de las

redes VANET. Para poder utilizar los nodos intermedios como repetidores, el sistema debe

actuar de un modo cooperativo, es decir, cada vehıculo debe estar dispuesto a colaborar con

sus vecinos para poder proporcionar el intercambio de los recursos con los otros vehıculos en

la red. Para la ejecucion de varias tareas por parte de los vehıculos en un entorno IOV, se

necesita tomar ventaja de un modelo cooperativo, el cual se puede formar entre los nodos

funcionando como un sistema P2P [11]. Ademas, los recursos tales como ancho de banda,

procesamiento y de almacenamiento tambien se pueden compartir con las RSUs mas cerca-

nas desplegadas a lo largo de la carretera. Las RSUs proporcionan servicios a los vehıculos

en movimiento con el fin de reducir el retardo en el acceso y poder aumentar la fiabilidad en

comparacion con la infraestructura centralizada, desde la que acceder a los recursos provoca

un retraso cuando el trafico de datos es alto.

Los vehıculos pueden utilizar diferentes tecnologıas de comunicacion de corto y largo alcan-

ce, tales como: Zigbee, Bluetooth y WiFi, junto con la familia de protocolos IEEE 802.11

representado en la Figura 5-1. La movilidad de los nodos en un entorno IOV es alta, para que

los vehıculos puedan compartir sus recursos con otros vehıculos al mismo tiempo; que a la

vez comparten un canal de acceso es necesario la implementacion de un estandar. Los nodos

actuan como una infraestructura en un modelo descentralizado para la programacion y la

conmutacion de la misma existen una serie de servicios que se ejecutan de forma simultanea.

El compartimiento de los recursos se pueden desarrollar, ya sea desde el P2P como posicion

local o con RSUs, las cuales actuan como posiciones globales (servidor centralizado). En los

dos casos, hay una compensacion entre el tiempo de acceso y el overhead generado durante

el acceso a los recursos desde cualquier sitio. Para la conmutacion de paquetes los vehıculos

que comparten recursos de una manera global o local necesitaran la ejecucion de un sistema

optimo, de modo que, a diferentes recursos se les pueda asignar un recurso de acuerdo a

sus peticiones. A medida que los datos son recogidos, en un ambiente spatio-temporal, se

32 7 Modelo del sistema

Figura 7-1: Configuracion broadcast en Ant Colony

requerira un procesamiento exitoso para la ejecucion exitosa y ası, poder recoger los datos

de diferentes fuentes en el entorno IOV.

7.1. Modelo Matematico

Dado un conjunto de vehıculos V , con posicion P , definidos en un estado de tiempo δt, el

sistema esta dado por: (V, P, δt). Donde, V = (v1, v2, ...., vn) es el conjunto de vehıculos V ,

y P = (p1, p2, ..., pn) es el numero finito de posiciones, que son utilizadas para el muestreo

de ubicaciones geograficas en un intervalo de tiempo δt. Se tiene R como el radio con coor-

denadas de posicion dadas por: (x0, y0), donde la posicion en cualquier punto en un radio R

esta definido por: √(xi − x0)2 + (yi − y0)2 < R (2)

.

Se asume que un vehıculo vi puede acelerar o desacelerar (acc) aleatoriamente en una au-

topista sin cambiar de sentido, manteniendo una distancia entre vehıculos adyacentes que

esta por encima del lımite establecido de acuerdo a las normas de transito en autopistas;

este parametro esta definido como: D(vi, vj) ≥ limit, donde, D es la distancia entre (vi, vj).

El valor del lımite se puede ajustar durante la evaluacion experimental de la aplicacion. La

velocidad de cada vehıculo tambien esta restringida, esta se encuentra dentro de los lımites

para evitar accidentes en la vıa min ≤ vi ≤ max. El intercambio de mensajes entre los nodos,

7.1 Modelo Matematico 33

depende de la probabilidad de transmision y la probabilidad de espera para la transmision,

estas estan dadas por Prob(T trans) y Prob(Twait) respectivamente; estas probabilidades son

calculadas en los nodos de retransmision. Donde, Prob(Twait) es la probabilidad de tiempo

de espera para procesar un mensaje. Esta trata del retardo de tiempo que tiene un mensaje

en alguno de los nodos intermedios, llamados nodos de retransmision. Los mensajes se alma-

cenan en los nodos intermedios, cuando el nodo fuente s, se encuentra lejos del nodo destino

d, o tambien cuando alguno de los nodos s o d se encuentra por fuera del radio R definido

para la comunicacion entre los vehıculos y las RSUs. Estas probabilidades se calculan to-

mando en relacion el numero de mensajes transmitidos con exito en relacion con el total de

mensajes en una unidad de tiempo determinada [5].

V =

{min(vi + acc, vmaxi ), if Prob(T trans > Twait)

max(vi − acc, vmaxi ), if Prob(T trans < Twait) (3).

Se asume vi y vj como dos vehıculos sobre la carretera. Obteniendo las posiciones iniciales de

vi y vj, estas estaran denotadas como: (Xi0, Yi0) y (Xj0, Yj0), respectivamente; asumiendo sus

velocidades iniciales como: vi0 y vj0, respectivamente. Si los vehıculos estan dentro del rango

de comunicacion asumido, cada vehıculo tendra conocimiento de sus vecinos. Si D > R, se

asumira que el enlace de los vehıculos esta roto. El tiempo de vida δt del enlace vi, vj para

un estado de tiempo, t1 , con un tiempo inicial, t0 , cuando D = R es δt. Dada la posicion

inicial de los vehıculos, la velocidad y el tiempo de vida δt, se calculara la distancia usando

la siguiente formula:

D2 = || X ||2 + || Y ||2 (4)

Donde,

X = (xi0 + vi0∆t)− (xj0 + vj0∆t) .

Y = (yi0 + vi0∆t)− (yj0 + vj0∆t) (5)

La estabilidad del enlace (vi, vj) es denotada como LS, y esta puede ser calculada usando la

siguiente ecucacion [37].

LS =∆t

tmax(6)

34 7 Modelo del sistema

Donde, tmax es una variable constante y corresponde al periodo de validez de de un enlace el

cual esta definido por la tabla de enrutamiento. El parametro de la feromona es el componente

mas importante deltro de un algoritmo basado en ACO. Tomando en cuenta que la feromona,

es el rastro dejado en el camino para atraer las hormigas segun sea su destino. En una

red VANET, el incremento o decremento de la concentracion de la feromona en un enlace

proporciona la informacion sobre la calidad del enlace, y en particular el tiempo de vida

de este. La calidad del enlace esta directamente relacionado con la cantidad de fermona

depositada por las hormigas a lo largo de su trayectorıa de un origen a un destino en un

enlace vi, vj, donde φ(vi, vj) es la feromona depositada y esta dada por:

φ(vi, vj) = LS + PR (7)

Donde LS se calcula usando (6), y PR es la probabilidad de entrega exitosa del mensaje[37].

La probabilidad de recibir exitosamente un mensaje depende de la distancia entre los vehıcu-

los que se encuentran dentro del rango de comunicacion R. Esta probabildiad PR puede ser

calculada usando el modelo de desvanecimiento de Nakagami [38] el cual esta dado por:

PR = em(DR)2

m∑k=1

(m(D/R)2)k−1

(k − 1)!(8)

donde m es el parametro de desvanecimiento. Por ejemplo, si m = 3 esto implica que el

parametro de desvanecimiento se encuentra dentro un rango moderado. Para este modelo se

asumir’a que m = 3.

7.2. Modelo Cooperativo

En este esquema, se ha considerado un conjunto de vehıculos V conectados dentro de un

entorno IOV, donde los vehıculos continuamente tienen un proceso de interaccion con el

entorno de modo que una salida pueda ser generada. En este modelo es necesario que los

vehıculos cooperen entre sı, ademas de las interacciones con el entorno, se realizaran un

numero finito de acciones.

La arquitectura de software apropiado para la ejecucion cooperativa debe adaptarse a las

aplicaciones. Este esquema debe ser lo suficientemente flexible para permitir la ejecucion de

las aplicaciones. Este esquema esta dividido en tres capas: comunicacion, sensores, y control.

7.2 Modelo Cooperativo 35

Figura 7-2: Arquitectura de un modelo cooperativo

Por ejemplo, las aplicaciones de movilidad requieren comunicaciones de baja frecuencia con

la infraestructura. Aunque el posicionamiento vehicular y las comunicaciones inalambricas

son las tecnologıas fundamentales que permiten el comportamiento cooperativo, la arquitec-

tura tambien debe acomodarse a implementar sensores autonomos [15]. Una arquitectura

de software de conduccion cooperativa que presenta una estructura de retroalimentacion en

capas se muestra en la Figura 7-2. La cooperacion y los bloques de planificacion de la trayec-

toria son ilustrados. Bloques de localizacion y mapeo toman la informacion sobre la posicion

en la carretera, mientras que el bloque de mapeo es procesado en la capa de control.

La importancia de dividir la arquitectura en capas se encuentra relacionada a las diferencias

en las constantes de tiempo entre las capas y las respectivas tasas de comunicacion necesarias

para apoyar cada capa. La comunicacion I2V tiene una baja tasa de transmision, esta puede

ocurrir en el orden de minutos, mientras que la comunicacion V2V puede ocurrir en el orden

de los segundos, haciendo importante el usar cooperacion entre los vehıculos. En la capa de

la cooperacion, los vehıculos estan compartiendo informacion y procesos para la toma de

decisiones (por ejemplo, velocidades, posiciones y ubicaciones de otros sitios), con el fin de

llegar al desempeno deseado en la red vehicular [30]. La naturaleza de las aplicaciones de

transito que emplean cooperacion entre vehıculos con una limitante de tiempo se ve refleja-

36 7 Modelo del sistema

da en la arquitectura. Aplicaciones de movilidad y confort que usan un metodo cooperativo

operan en las capas superiores. En general, las aplicaciones de seguridad cooperativas operan

dentro de los bloques de seguridad y mapeo de la capa inferior y requieren comunicaciones

V2V de alta transferencia.

En cierta medida, mientras que pueda producirse la cooperacion en el orden de milisegundos,

el esquema trabajara con el fin de brindar seguridad y mapeo, parametros que requieren una

comunicacion V2V con el proposito de conseguir un desempeno en la red [15]. Bloques de

funcionamiento y de mapeo son los bloques de regulacion y de localizacion, la estructura que

se muestra en la Figura 11 se implementa en el estandar 802.11p. En este modelo se hace

uso de esta arquitectura en orden de tener un comportamiento cooperativo entre vehıculos.

El bloque de localizacion contiene los componentes de posicionamiento de vehıculos, donde

se interconectan con los sensores del vehıculo tales como: el receptor GPS y los sensores

de velocidad en la carretera. El bloque de regulacion, que interactua con los actuadores del

vehıculo, se usa en vehıculos autonomos.

7.3. Planteamiento del Algoritmo

Los algoritmos 1 y 2 presentados a continuacion, fueron planteados para optimizar el trafico

de datos en redes VANET basado en la teorıa de Ant Colony Optimization. En el algoritmo

1 se utiliza ACO para buscar una ruta destino en un ambiente IoV. Se aplica la estrategia

de utilizar hormigas artificiales para la seleccion de la mejor ruta, basado en la teorıa Ant-

HocNet explicada en el capıtulo 6. Cuando un nodo fuente s conoce el destino d, se utiliza la

funcion de probabilidad Pnd descrita en la ecuacion 1 para elegir el salto siguiente. Para esta

implementacion se asumio B = 1. El parametro Ti, es la tabla de feromona. Sin embargo, si

s no conoce una ruta hacia d, se comienza un broadcasting inicial, donde cada vecino de s

recibe una replica de la hormiga F ad (x) de la hormiga inicial rastreadora F a

d . El trabajo de

cada F ad (x) es encontrar una ruta hacia d. Cuando una ruta es encontrada se actualizan las

tablas de enrutamiento y la tabla de feromona Ti.

En el algoritmo 2, se utilizo ACO para actualizar las rutas existentes en orden de mantener

el balanceo de carga. El proposito de esto es mantener los caminos correctos que conducen a

un destino d. Usando hello messages los nodos conocen el estado de sus vecinos directos, y la

informacion de feromona a traves de sus tablas. Los nodos pueden detectar fallas en el enlace

cuando fallan los hello messages. Si un enlace falla, y el nodo conoce otras rutas posibles a

los destinos, se actualizan las tablas de enrutamiento, y se le envıan mensajes de notificacion

a los nodos vecinos. Sin embargo, si este enlace era la unica ruta que el nodo fuente conoce

hacia el destino, o si esta ruta era una de las mas solicitadas, se intentara buscar otra ruta

alternativa usando el algoritmo 1. Esta es una estrategia utilizada en AntHocNet, con la

7.3 Planteamiento del Algoritmo 37

restriccion de que se reparara una ruta, solo cuando el nodo destino tenga conocimiento de

que esta falla.

Algorithm 1. Searching a route algorithm

s is the source node, d is the destination node and c is the current node

1.if s known d

2. Choose the route using (1)

3. Increase pheromone using (7)

4. Update Ti.

5.else

6. if NextHop = s.

7. Calculate φ using (7)

8. Update Ti.

9. else

10. Calculate V using (3).

11. for (each neighbor of s create a replica F ad (x) of F a

d .)

12. send F ad (x) to neighbors

13. for (each path to d)

14. calculate φ using (7)

15. Update Ti.

16. Update routing table.

17. end for

18. end for

19. end if

20.end if

Algorithm 2. Updating routes algorithm

s is the source node, d is the destination node and c is the current node

1.for (each neighbor of s send a HELLO message)

2. if HELLO message is unanswered

1. for (each destine d that use neighbor c)

3. Search in a routing table another route for d.

1. if (no routing exist for d).

4. Searchingroute()

5. else

6. send update messages to neighbors of s

6. Update routing table

17. end if

17. end for

18. end if

17.end for

38 7 Modelo del sistema

En esta implementacion, no se uso algun protocolo de enrutamiento en especial, en general

se prueba este sistema en un escenario en el que ocurre un incidente, y los nodos cercanos a

este comienzan a informarlo a sus nodos vecinos, tal como se muestra en la Figura 4-3. El

nodo fuente s, comienza a distribuir la informacion, entonces, los nodos intermedios reenvıan

los paquetes a lo largo de una trayectoria, tomando en cuenta las caracterısticas propias de

una red VANET. Este metodo adopta la metodologıa de los protocolos de enrutamiento

topology-based-routing y location-based definidas en el Capıtulo 5, formando ası un meca-

nismo hibrido ya que se utiliza la posicion de los vehıculos y la informacion entre un enlace

de un par de vehıculos (vi, vj).

8 Simulacion

En esta seccion se describe el proceso de la simulacion que se implemento, teniendo en cuenta

el modelo presentado en el capıtulo anterior. La simulacion se realizo en 2 fases y dos simu-

ladores diferentes han sido usados: uno es SUMO (del ingles: Simulation of Urban Moility,

Simulacion de Movilidad Urbana) [23], el cual es usado para la simulacion del trafico sobre

las carreteras; y el otro es OMNet++ (version 4.6) el cual ejecuta la simulacion del trafico

de la red [24].

8.1. SUMO

Simulation of Urban Mobility (SUMO) es un codigo abierto, altamente portatil, util para la

simulacion de trafico en redes vehıculares, disenado para manejar grandes redes de trafico

vehıcular. Fue disenado por ingenieros del Instituto de Sistemas de Transporte en el Centro

Aeorespacial Aleman. Esta herramienta permite simular altas demandas de trafico, permi-

tiendo a los vehıculos se moverse a traves de una red de autopistas. La simulacion permite

hacer frente a un gran conjunto de temas de gestion del trafico. SUMO es puramente mi-

croscopico: cada vehıculo se modela explıcitamente, tiene una ruta propia, y se mueve de

forma individual a traves de la red. Las simulaciones son deterministas por defecto, pero

hay varias opciones para introducir aleatoriedad en la simulacion. SUMO cuenta con varias

aplicaciones, las cuales se pueden utilizan para importar redes de trafico y datos de alta

demanda para ser utilizado en el escenario[23].

Aunque se puede generar manualmente una red de trafico, programando las rutas, para el

modelo de este trabajo se definio una simulacion realista adaptada a una pequena escala de

una zona de la capital de Colombia. La Figura 8-1 muestra la zona de Bogota elegida la cual

fue extraıda de GoogleMaps. La replica de este escenario en SUMO se muestra en la Figura

8-2.

40 8 Simulacion

Figura 8-1: Escenario vehıcular, tomado de Google-Maps

Figura 8-2: Replica del escenario vehıcular en SUMO

8.2 OMNeT++ 41

8.2. OMNeT++

El escenario simulado en SUMO tiene un archivo asociado a el que apunta a los archivos

de red y enrutamiento que se utilizan, este escenario tambien contiene el inicio y final de la

simulacion. Ası que el archivo de configuracion se crea mediante la combinacion de archivos

de red y el archivo de rutas. La siguiente fase consiste en simular el escenario de red de datos,

el cual se utiliza para modelar las configuraciones de red computacional antes de que estas

se despliegan en el mundo real. Mediante el uso de la simulacion de la red datos se pueden

comparar diferentes configuraciones, por lo que es posible reconocer y resolver problemas

de rendimiento de la red sin la necesidad de realizar ensayos potencialmente costosos en el

mundo real. En este trabajo se ha utilizado el simulador OMNeT ++(version 4.6), utilizando

el framework VEINS.

OMNeT ++ es una herramienta de simulacion de redes, que esta ganando gran popularidad

como una plataforma de simulacion en la comunidad cientıfica, ası como en entornos indus-

triales, haciendo que esta sea adoptada por una gran comunidad de usuarios. OMNeT ++

es extensible y modular, y esta basado en C ++. Los escenarios que aborda incluye redes de

comunicaciones alambricas e inalambricas, redes basadas en teorıa de colas, y ası sucesiva-

mente. Se pueden simular escenarios basadas en redes de sensores, redes ad-hoc inalambricas,

protocolos de Internet, modelado de rendimiento, redes fotonicas, etc.. Los diferentes desa-

rrollos de modelos proporciona modelos, los cuales pueden ser desarrollados como proyectos

independientes. OMNeT ++ ofrece un IDE basado en Eclipse, un entorno de ejecucion grafi-

ca, entre otras herramientas. Hay extensiones para simulacion en tiempo real, la emulacion

de red, la integracion de base de datos, la integracion SystemC, y muchas mas funciones [24].

Para integrar OMNeT++ y SUMO se utilizo VEINS. VEINS es un framework de codigo

abierto para ejecutar simulaciones de redes vehiculares, extendiendo una completa gama de

modelos para realizar simulaciones de redes vehıculares lo mas realistas posibles [24]. Dentro

del framework se incluye el estandar IEEE 802.11p el cual se adapta para el uso de redes

VANET como se explico en el capıtulo 5. Al ser muy cercano a un modelo realista, VEINS

simula el efecto que se refleja en la comunicacion al existir obstaculos, las transmisiones

inalambricas estan fuertemente afectadas por los efectos de sombreado de seuales. Esto es

particularmente importante en las redes vehiculares que operan en entornos suburbanos y

urbanos, donde los edificios bloquean la propagacion de radio. Este frame-work incluye un

modelo obstaculo sombreado simple que ha sido calibrado y validado en contra de las medi-

ciones del mundo real [24]. La arquitectura de simulacion implementada es mostrada en la

Figura 8-3.

Para completar la simulacion tanto de simulacion de trafico y de la red debe interactuar

entre sı, por medio de VEINS. La comunicacion ha sido estandarizada como la Interfaz de

42 8 Simulacion

Figura 8-3: Arquitectura de simulacion implementada

Figura 8-4: Conexion de trafico vehıcular y trafico de datos

8.2 OMNeT++ 43

Control de Trafico (Traci). Este protocolo permite la simulacion bidireccional acoplado el

trafico vehıcular y el trafico de datos. El escenario vehıcular disenado en SUMO esta conec-

tado a traves de un socket TCP como se puede ver en la Figura 8-4.

9 Resultados

Los resultados del entorno de simulacion, descritos en la seccion anterior se describen a

continuacion. Para el experimento consideramos un entorno de autopistas con sentido bi-

direccional. Se utilizo el modelo de propagacion de Nakagami para comunicaciones wireless

[38]. El trafico vehicular se genero por el Movimiento-Generador-Vehicular de red mediante

el archivo de trafico de control que incrorpora SUMO. El comportamiento de los vehıculos

siguen el esquema de anticolision, el cual es comun en modelos de movilidad vehicular que se

muestra en la Figura 4.3. En este esquema de movilidad, los coches se mueven a la velocidad

maxima permitida segun los esquemas de seguridad (80 kmh de acuerdo con la regulacion de

transito de Bogota [39]) que asegura no haber ninguna colision con los vehıculos precedentes.

Para simplificar, cada vehıculo tiene una sola aplicacion que genera paquetes periodicas con

periodo T .

Los resultados experimentales se obtuvieron utilizando el simulador de redes OMNeT++ jun-

to con el framework VEINS, los cuales aprovisionan la famila de estandares IEEE 802.11.x,

especifıcamente IEEE 802.11p, usados comunmente en ambientes IoV. El tamauo de los da-

tos es elegido como 550 bytes incluyendo cabeceras de protocolo y control, este es un tamauo

frecuentemente utilizado para la mayorıa de las aplicaciones de seguridad en redes vehicu-

lares. Cada simulacion dura un intervalo de 358 segundos; se simularon diferentes esquemas

con una carga total de 150 vehıculos. El escenario elegido es una zon urbana de Bogota con

un area de 1000m x 1200m, la cual se muestra en la Figura 8-2. Los caminos tienen dos

carriles cada uno y el trafico vehicular fluye en ambas direcciones, el tipo de paquetes es

UDP. Los parametros de simulacion se resumen en la Tabla 1.

Se usaron tres metricas diferentes para la evaluacion de la estructura. En la evaluacion se

comparo el metodo implementado en este trabajo Ant-VANET con el funcionamiento normal

del estandar IEEE 802.11p, y el protocolo de enrutamiento ad-hoc On-Demand Distancia

vectorial (AODV). Los prametros que se utilizaron para evaluar el desempeno fueron: perdida

de paquetes, average end-to-end, y SPR (del ingles: Successful Packet Reception, Recepcion

de paquetes exitosos). La Figura 9-1, se muestran los resultados de simulacion en cuanto a

perdida de paquetes.

En la Figura 9-1, se compararo la tasa de paquetes perdidos del modelo Ant-VANET con el

del estandar 802.11p y el metodo de S-VANET presentado en [32], en el cual se desarrollo

45

Tabla 9-1: Parametros de simulacion

Parameters Values

Bitrate 18Mbps

Scenario area 1000m X 1200m

Communication Range (CR) 150m - 1000m

Propagation Model Nakagami (m=3)

Transport UDP

MAC IEEE 802.11p

Packet Size 550 bytes

Transmission Rate 4 packets/seg

Interface Queue 20 packets

Simulation Time 354 seconds Number of Runs 10

Period T 100ms

A slot duration 16µs

Th 40 µs

Figura 9-1: Resultados de simulacion en cuanto a perdida de paquetes

46 9 Resultados

Figura 9-2: Resultados de simulacion en cuanto a end-to-end-delay

un protocolo de transmision de datos para los vehıculos en la carretera, en el que los datos

pueden ser remitidos con la ayuda de vehıculos si estan conectados entre sı o los datos pueden

ser remitidos con la ayuda de sensores inalambricos cercanos.

La segunda evaluacion se realizo de acuerdo al parametro end-to-end-delay, el cual define

el promedio ponderado de tiempo que tarda un nodo intermedio en reenviar y recibir un

paquete de manera exitosa. Los resutados de este parametro se muestran en la Figura 9-2.

Para medir el desempeno de una red, con multiples nodos que se comportan de una manera

diferente, el parametor principal es fairness. Para el analisis de fairness este puede ser dividi-

do en dos niveles. En el primer nivel se analiza el balanceo de acceso al canal de comunicacion

a medida que acceden otros nodos (es decir, vehıculos) dentro del alcance de comunicacion

(CR). Esto es un parametro definido en MAC del estandar 802.11p. El segundo nivel es el

comportamiento en cuanto a como un nodo puede transmitir sus paquetes de manera pe-

riodica con exito para la mayorıa de los nodos vecinos sin colision.

Hay dos razones por las que una colision puede ocurrir despues de un periodo de contencion

exitosa: primero, si hay muchos vehıculos en el rango, esto es debido a que hay mas vehıculos

47

Figura 9-3: Resultados de simulacion con SPR

enviando al mismo tiempo y no todos los vehıculos tienen asignado el mismo slot provocando

colisiones para los receptores que se encuentran dentro del rango. En segundo lugar, el

problema se debe a la existencia de nodos ocultos, esto causa colisiones en los receptores

ya que el protocolo MAC del remitente no es consciente de estos nodos, la eliminacion

gradual de estos problemas son igualmente importantes. Sin embargo, mientras que el primer

tipo de colision podrıa ser resuelto por la sincronizacion a nivel de aplicacion, el segundo

requerirıa sincronizacion mas avanzada. Dado que los vehıculos sobre una autopista son

bastante propensos a tener vecinos estaticos durante un tiempo razonablemente largo, esto

puede llevar a una situacion en la que algunos vehıculos pueden sufrir perdidas de paquetes

a causa de nodos ocultos [40]. Para medir el comportamiento fairness del modelo de este

trabajo, se realizara mediante el porcentaje de mensajes exitosos recibidos (SPR).

La figura 9-3 ilustra el acumulado SPR por nivel de vehıculos en diferentes casos. Sucessful

Packet Reception (SPR), proporcion la fraccion de vehıculos en CR que reciben un paque-

te broadcast. Para este parametro se compararon 4 escenarios, sibde se evalua el maximo y

minimo SPR. SPRmax y SPRmin son calculados analiticamente usando la siguiente ecuacion.

maxSPR =

{100, if N < NmaxNmax,100

N, if N > Nmax (9).

48 9 Resultados

Donde N es el numero de vehıculos en CR y Nmax es el punto maximo de saturacion el cual

esta dado por [40]:

Nmax =T

Tdata + Tduration(10)

En este caso, Tduration, es el tiempo total que un nodo intermedio esta ocupado para realizar

exitosamente la restransmision de un paquete, y Tdata, es el tiempo para transmitir un pa-

quete el cual esta dado por [40]:

Tdata = Th +PacketSize

BitRate(10)

Th es el tiempo para transmitir en un preambulo de Physical Layer Convergence Procedure

(PLCP), definido por el estandar 802.11p.

Los resultados indican claramente la necesidad de mejorar el desempeno del estandar 802.11p

utilizando metodos de optimizacion, ya que este muestra el rendimiento mas deficiente en

comparacion con los protocolos de enrutamiento y otros metodos de optimizacion. Cuando

el numero de vehıculos en la simulacion fue variando entre 0 y 150, Ant-VANET tenıa un

mejor rendimiento. La ventaja que Ant-VANET tiene sobre sus competidores proviene de

la busqueda de nuevas rutas utilizando hormigas artificiales para encontrar nuevos cami-

nos. Ant-VANET tuvo un buen desempeno, teniendo en cuenta que una red VANET tienen

muchas limitaciones y desafıos a considerar. Ant-VANET se desempena mejor en el medio

en comparacion con otros metodos, y que es de nuevo, debido a las hormigas proactivas,

dado que es un mecanimos efectivo para la conectividad de la red, es decir, habra mas rutas

disponibles, pero por otro lado, generar mucho mas control en el trafico.

10 Conclusiones y trabajo futuro

10.1. Conclusiones

IOV es una nueva area emergente, en la cual varios vehıculos se consideran como objetos

interconectados a traves de Internet que colaboran entre sı, para el intercambio de datos

y actualizaciones. En este trabajo se ha realizado un estudio sobre el estado del arte en el

desarrollo e implementacion de las redes VANET. Consecuentemente, se han presentado las

restricciones y caracterısticas principales en este tipo de redes de comunicaciones wireless

mostrando la importancia que traeran sus aplicaciones en un futuro donde domine IoT. Los

nodos en un ambiente IOV tienen el potencial de proporcionar seguridad, y entretenimien-

to a los pasajeros a bordo, pero debido a los cambios topologicos continuos y la densidad

variable de los vehıculos en la carretera, la difusion de informacion al destino final requiere

un enfoque especializado especıficamente en el entorno IOV. En este trabajo, hemos intro-

ducido un procedimiento para mejorar el rendimiento en el estandar 802.11p basado en Ant

Colony Optimization. Este metodo usa la informacion disponible en este tipo de redes, tales

como: la posicion de los vehıculos, la velocidad y la informacion disponible del enlace entre

dos vehıculos, adaptandolo ası, a un marco para hacer predicciones sobre la movilidad y

conexion de los vehıculos de vecinos.

El modelo implementado en este trabajo, adopta los esquemas de enrutamiento: topology-

based y location-based formando un esquema hıbrido, ya que se utiliza la posicion de un

vehıculo y la informacion de un enlace entre dos vehıculos. Se definio la heurıstica basado

en elegir el mejor camino, de acuerdo a los parametros de enlace y la probabilidad de pro-

pagacion. Utilizando la estrategia de hormigas artificiales para la seleccion de la mejor ruta,

basada en la teorıa de Ant Colony Optimization, se pretende mejorar la fiabilidad con rela-

cion a la distribucion y transmision de datos, se definio un algoritmo para la actualizacion

de rutas con el fin de mantener el balanceo de carga. El proposito es mantener los caminos

eficientes para llegar a un destino, usando hello messages, los nodos conocen el estado de sus

vecinos inmediatos y tienen la informacion de feromonas sobre ellos en su tablas de enruta-

miento. Cuando se inicia una comunicacion de un nodo fuente a un nodo destino, el metodo

elige el mejor camino basado en el nivel de feromona depositado en el enlace. El metodo pro-

puesto, demuestra el mejor rendimiento en cuanto a perdida de paquetes, y paquetes exitosos

recibidos, en escenarios con diferentes caracterısticas, y con diferentes densidades vehiculares.

50 10 Conclusiones y trabajo futuro

El metodo Ant-Vanet presentado en este trabajo, comparado con sus contrincantes ha de-

mostrado tener una tasa mucho mas baja en cuanto a perdida de paquetes. Teniendo en

cuenta las multiples restricciones que presentan las redes VANET, este parametro es uno

de los mas importantes para medir su desempeno. Tambien se evaluo end-to-end delay, el

cual esta definido como el promedio de la suma del tiempo que le toma a los paquetes ser

enviados y recibidos de manera exitosa, en este caso este tiempo es medido en los nodos

intermedios, ya que para el metodo planteado se usan los enlaces intermedios para poder

enviar la informacion de un nodo fuente a un nodo destino. Los resultados muestran que

implementando Ant-VANET, este tiempo es mucho menor, esto se debe al comportamiento

del mecanismo que le permite buscar los mejores caminos con el uso de un rastro de feromona.

Por otro lado, se evaluo el parametro de fairness dentro de la red, este crıterio evalua el

comportamiento de la red en cuanto a la distribucion de recursos a medida que se tienen

mas agentes en la red, en este caso se calcula a medida que ingresan mas vehıculos dentro

del rango evaluado, especıficamente se determino para los mensajes broadcast mediante el

porcentaje de la recepcion de paquetes exitosos (SPR). Aunque el metodo S-VANET, presen-

tado en el trabajo [32] presenta una mayor estabilidad en comparacion a Ant-VANET, cabe

destacar que se desconoce los parametros de transmision en S-VANET, en cuanto al periodo

de entrega T y velocidad de transmision debido a que no estan definidos. Ant-VANET pre-

senta un mayor porcentaje de mensajes recibidos exitosamente en comparacion a: S-VANET,

AODV y el estandar 802.11p. Uno de los principales objetivos en este trabajo era mejorar

el desempeno de transmision de datos en IEEE 802.11p, con los resultados obtenidos se de-

muestra visiblemente que al usar Ant-VANET sobre el estandar 802.11p, la transmision de

datos mejora.

10.2. Trabajo Futuro

Como trabajo futuro se espera utilizar Ant Colony Optimization para mejorar la seguridad

en redes VANET, ya que es otra de las principales problematicas de utilizar este tipo de redes.

Debido a que la integridad de los datos es vulnerable a ataques, si este tipo de redes llegara a

tener un ataque de gran magnitud esto podrıa traer consecuencias a los datos confidenciales,

por lo tanto se convierte en un gran desafıo en cuanto a la transmision de datos en este tipo

de redes. Por otro lado, se espera implementar la heurıstica planteada en este trabajo, sobre

los protocolos de enrutamiento Ad-Hoc-Roting-Protocols, usando el estandar IEEE 802.11p,

ya que este tipo de protocolos han sido los mas utilizados en redes Ad-Hoc con caracterısticas

dinamicas como lo son las redes VANET. Una de las caracterısticas mas importantes para el

desempeno de las redes VANET en cuanto a trasnmision de datos, es el modelo coopertativo,

se espera en un futuro plantear un modelo cooperativo basado en Ant Colony Optimization,

en el cual no sea necesario la utilizacion de broadcast, ya que de una u otra manera esto

10.2 Trabajo Futuro 51

satura la red, esta heurıstica puede ser combinada con BGC (Bayesian Coalition Games),

tal como se planteo en el trabajo [5], con la mejora de modelos cooperativos entre nodos o

vehıculos, tambien se mejora la seguridad en la red, ya que el intercambio de informacion se

desarrollara de una forma mas explıcita.

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