Evaluación de prestaciones de una red híbrida vehicular y de sensores para

mejorar la seguridad vial

Carolina Tripp Barba, Karen Ornelas, Guillermo Díaz Delgado, Mónica Aguilar Igartua

Departament d'Enginyeria Telemàtica. Universitat Politècnica de Catalunya (UPC). C/ Jordi Girona 1-3, Mòd. C3, Campus Nord, 08034 Barcelona.

{ctripp, gdiaz, monica.aguilar}@entel.upc.edu, karen.ornelas@gmail.com

Resumen- En los últimos años las redes inalámbricas se han convertido en una tecnología de comunicación ampliamente

difundida así como en un reto en cuanto a investigación se refiere. Se han presentado muchas contribuciones sobre redes ad hoc, tales como redes inalámbricas de sensores (WSN, Wireless

Sensor Networks) y redes vehiculares (VANET, Vehicular Ad hoc

Networks). Recientemente, la cantidad de coches que transitan en nuestras calles, carreteras y autopistas ha ido en aumento, dando pie a un gran interés en las tecnologías de comunicación vehicular. Un nuevo tipo de red ha sido desarrollada,

denominada Red Híbrida Vehicular y de Sensores (HSVN,

Hybrid Sensor and Vehicular Network) en la cual WSNs y VANETs cooperan entre sí con el objetivo común de mejorar la seguridad vial. Existen proyectos recientes, tales como CVIS [8]

y COMeSafety [10], que se han enfocado en estos aspectos. Este tipo de propuesta prevendrá al conductor y al copiloto sobre cualquier evento que ocurra en la ruta por la que circulan, tales como accidentes que han sucedido en la carretera, densidad de

tráfico, condiciones climatológicas de las rutas, etc. De esta manera el número de accidentes de tráfico podrá decrecer significativamente y se podrán salvar muchísimas vidas. Así mismo, otros servicios de entretenimiento como el acceso a Internet y las descargas multimedia podrán estar disponibles

fácil y económicamente con el despliegue de infraestructura a lo largo de las carreteras. Además, el sistema navegador de a bordo podrá elegir la ruta que esté realmente menos congestionada, ayudando así a disminuir la contaminación. Transportarse en

coche será más fácil, seguro y más cómodo para los pasajeros. En el presente artículo se presenta una plataforma de HSVN, así como la descripción y evaluación de un protocolo de comunicación entre VANETs y WSNs usando como simulador

NCTUns [20] para su evaluación. Palabras clave- WSN (Wireless Sensor Networks), VANET (Vehicular ad hoc Networks), HSVN (Hybrid Sensor and

Vehicular Network).

I. INTRODUCCIÓN

Las investigaciones en tecnologías de corto alcance han ido en aumento en los últimos años. Así pues, las redes ad hoc han recibido más atención debido al fácil despliegue que suponen. Una red Ad hoc [1, 2] está formada por un grupo de nodos que se comunican entre sí con una interfaz inalámbrica, además de poder trabajar tanto con infraestructura fija como sin ningún tipo de infraestructura. En el entorno en que se plantea este trabajo hay dos tipos de redes ad hoc: las WSNs (Wireless Sensor Networks) [3] y las VANETs (Vehicular Ad

hoc Networks) [2, 4]. Ambas son redes ad hoc capaces de operar sin ninguna infraestructura definida y sin administración centralizada. La organización de esta red está a cargo de los mismos nodos que la conforman. Cada nodo es capaz de trabajar como emisor, destinatario o simple repetidor de la información. Los nodos en una WSN son estáticos, mientras que los nodos en la VANET pueden alcanzar altas velocidades. Los cambios frecuentes que presenta la topología debido a la movilidad de los vehículos en la red VANET exigen el diseño de un protocolo de encaminamiento flexible y que se adapte a estas velocidades de los nodos.

Una WSN consiste en un grupo de pequeños dispositivos inalámbricos capaces de recolectar información de su entorno como temperatura, humedad, movimiento, etc. Este tipo de redes permiten un rápido despliegue de estos dispositivos debido a su pequeño tamaño y peso. Pero presentan algunas restricciones en comparación con otras redes ad hoc que se deben tomar en cuenta al momento de trabajar con ellos, como capacidad limitada de memoria, energía y procesamiento, así como bajo alcance de transmisión.

En una VANET se asume que cada nodo en la red está equipado con alguna tecnología de navegación, como GPS (Global Positioning System) [5]. Una VANET se considera como un tipo particular de MANET (Mobile Ad hoc Network) [1]. Sin embargo, la principal diferencia está en la velocidad de los nodos que la conforman. Este factor produce cambios rápidos en la topología y eso produce que los enlaces tengan un corto periodo de vida. Por otro lado, los dispositivos en los vehículos no presentan límites de energía, además de poder tener un alto poder de procesamiento. Para finales de 2010, se espera la publicación del estándar IEEE 802.11p [4, 6] el cual será una gran contribución a mejorar la comunicación a través de los vehículos que forman la VANET. El cual maneja rangos de comunicación de hasta 1000 metros, bandas de frecuencia de hasta 5.92 GHz, modulación OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), así como soportar alta movilidad de los nodos [6].

Una red híbrida vehicular y de sensores (HSVN, Hybrid

Sensor and Vehicular Networks) es un nuevo concepto que permite incorporar sensores a lo largo de las carreteras, lo cual puede ser considerado como una arquitectura de red heterogénea de nueva generación. En una perspectiva global, la información sobre las condiciones medioambientales, como

lluvia o hielo, y la densidad de tráfico en trayectos remotos podrá ser monitorizada por los vehículos, que posteriormente será almacenada en la WSN para que pueda ser distribuida a través de otros vehículos que pasen posteriormente por el segmento de carretera determinado por un grupo de sensores. El propósito principal de este tipo de red es que los coches dentro de una VANET puedan compartir información referente a condiciones climáticas, estado de tráfico y seguridad vial, con el fin de reducir el número de accidentes. Gracias al intercambio oportuno de esta información los usuarios podrán viajar más seguros a lo largo de sus trayectos.

II. ESTADO DEL ARTE

Recientemente, en Europa se han creado diferentes consorcios [7, 8, 9, 10, 11, 12] cuyo objetivo es hacer más seguros tanto los vehículos como los trayectos. Estos consorcios están integrados principalmente por fabricantes de coches, investigadores y la Comisión Europea. CAR 2 CAR [7] es un consorcio iniciado por fabricantes Europeos, cuyo objetivo principal es aumentar el tráfico seguro y eficiente haciendo uso de los ITS (Intelligent Transport Systems), así como de las comunicaciones vehículo-a-vehículo (V2V, Vehicle-to-Vehicle) y vehículo-a-infraestructura (V2I, Vehicle-

to-Infrastructure). El proyecto CVIS (Cooperative Vehicle-Infrastructure

Systems) [8] trabaja con sistemas inteligentes y cooperativos que se basan en comunicaciones de tipo V2V y V2I, con lo que le permite adquirir mejoras tanto en eficiencia en el sistema de transporte, como en la seguridad de los usuarios que estén a lo largo del camino. Los beneficios que se esperan son el poder procesar información disponible del vehículo y de su entorno. Dichos beneficios incluyen mejoras en la capacidad de la red del trayecto, reducción de la congestión de tráfico, reducción de la contaminación, elección de caminos con menor tiempo de trayecto, mejora de la seguridad de tráfico para todos los usuarios, logística más eficiente, aumento del control sobre la red del trayecto (urbano e inter-urbano), aumento en la eficiencia de los sistemas de transporte público y una mejor respuesta de acción ante accidentes e incidentes en carretera.

El proyecto CARLINK [9] busca el desarrollo de un servicio inteligente para coches. La aplicación principal de este proyecto es ofrecer información de clima en tiempo real, reportes del estado del tráfico y otras aplicaciones en broadcast. Los vehículos estarán debidamente equipados para hacer posible la comunicación con una estación base y con otros nodos ad hoc que participen en la red. El objetivo del proyecto está orientado a mejorar la industria automotriz, involucrando a los operadores de telecomunicaciones, a los conductores y demás usuarios de las vías. Los nuevos coches está previsto que estén equipados con un nuevo tipo de servicio de telecomunicación relacionado con los ITS que permitiría grandes beneficios a los operadores así como a los usuarios.

El proyecto COMeSafety [10] está respaldado por el foro eSafety [11] respecto a todas las cuestiones relacionadas con las comunicaciones V2V y V2I como base para la

cooperación de sistemas inteligentes de transporte por carretera. También proporciona una plataforma abierta de integración de los intereses de todos los participantes públicos y privados representados. Los resultados consolidados se envían a los organismos europeos de normalización y también a todo el resto del mundo.

INFOTRANSIT [12] ha sido desarrollado por la fundación RACC (Reial Automòbil Club de Catalunya), la cual provee de información para hacer la conducción más segura. Consiste en un servicio en Internet basado en diferentes fuentes de datos que proveen información actualizada continuamente del tráfico en tiempo real, datos del clima, localización de radares y de accidentes. Utiliza mapas interactivos basados en los mapas de Google [13]. En un futuro no muy lejano, los conductores serán capaces de acceder y actualizar dicha información de tráfico en cualquier momento durante su viaje sin coste adicional alguno. La información será proporcionada por la Dirección General de Tráfico (DGT). Con esto, los conductores podrán fácilmente ver la localización de los radares, podrán obtener videos cortos de las cámaras de tráfico y la localización de cualquier accidente ocurrido en su trayectoria.

Recientemente, ha sido propuesto un nuevo enfoque a partir de la unión de dos tipos de redes ad hoc, WSNs y VANETs. Una HSVN, consiste en hacer que las redes de sensores y vehiculares trabajen juntas para constituir un sistema de comunicación que puede ser utilizado por los vehículos con el objetivo de asistir al conductor con el objetivo principal de reducir los accidentes en las carreteras. Nuevas arquitecturas han sido propuestas para ofrecer un enfoque robusto, flexible y efectivo para las HSVN. Varios trabajos de investigación, como [14] y [15], han sido realizados donde el principal reto ha sido el de diseñar la arquitectura HSVN. Una red HSVN necesita incluir un protocolo de comunicación entre ambas redes que la conforman: la de sensores (WSN) y la vehicular (VANET). El fin es intercambiar datos entre sus respectivos nodos. La mayoría de los estudios hacen algunas suposiciones como que los coches ya cuentan con dispositivos GPS, microprocesadores y sensores, así como el uso de un mismo mapa digital en la red completa. Una de las características más importantes es que en los vehículos no hay límite en cuanto al tiempo de vida de baterías, ni en el tamaño de almacenamiento de datos. Algunos resultados sobre dispositivos de redes y sensores para este tipo de red han sido presentados en [14] donde se describen los sistemas de control de tráfico, protocolos de comunicación y el contenido de la información a compartir que han sido utilizados.

Otro estudio [16] se enfoca en proveer seguridad vial y

está dirigido a la comunicación Carretera-Coche (R2C, Road-

to-Car) mediante la utilización de WSNs. Se basa en la implementación de varios sensores a lo largo de la carretera, la cual está dividida en segmentos. Una red de sensores simple obtendrá información sobre el clima, así como otros datos importantes para los coches. Este estudio está enfocado en ofrecer dos servicios diferentes: prevención de accidentes e investigación post-accidente. Esta información podrá ser

usada tanto para salvar vidas como para que los equipos forenses puedan tener una fuente fiable sobre los hechos.

III. CONCEPTOS BASICOS EN UNA HSVN

La principal característica ofrecida en una red vehicular es la capacidad de distribuir información sobre el tráfico y el estado de las carreteras a través de los demás coches que circulan en la carretera. Los nodos que forman parte de una red vehicular serán capaces de tener acceso a diferente información sobre su entorno. Esta información será de gran ayuda para que el protocolo de encaminamiento presente en la VANET pueda tomar una mejor decisión, por ejemplo el detectar vehículos que tengan destinos similares para elaborar una ruta conjunta de transporte de la información que incremente el tiempo de vida de los enlaces. El mecanismo de inundación no es muy funcional, puesto que una red vehicular puede estar formada por un alto número de nodos; el mecanismo de multisalto es usualmente utilizado, ya que permite el despliegue de la información vehículo a vehículo hasta alcanzar el destino deseado, en caso de que el emisor y el destinatario no estén dentro de un mismo rango de transmisión. El transporte público también puede verse involucrado en la comunicación de estas redes, pues los autobuses pueden operar como nodos fiables de la VANET, además de poder ofrecer una conexión a Internet a los coches que circulen cerca.

En la actualidad, la mayoría de los coches modernos ya cuentan con un dispositivo GPS instalado, por ello las aplicaciones instaladas que asisten a los conductores en la conducción, como Tom-Tom [17] o GARMIN [18], son capaces de conocer la posición geográfica y obtener un mapa digital sobre la misma. Esta información actualizada en tiempo real, servirá de apoyo a las aplicaciones de soporte a la navegación, ya que les harán más fácil la tarea de la toma de decisiones, por ejemplo tomar la ruta más segura y menos congestionada. Para la distribución de la información por la red HSVN se plantea el diseño de un protocolo de encaminamiento basado en técnicas cross-layer, de tal manera que las diferentes capas de protocolos podrán colaborar en la mejora de la comunicación. Además, el protocolo de encaminamiento deberá ser capaz de adaptarse y reconfigurarse tomando en cuenta parámetros representativos de cada nivel de protocolos, como la calidad del video que recibe el usuario (nivel de aplicación), pérdidas (nivel de red) y retransmisiones (nivel MAC). Asimismo deberá ser capaz de ofrecer QoS para ofrecer información multimedia (por ejemplo video-streaming) sobre accidentes o densidad de tráfico, así como datos propios de información sobre la carretera (clima, rutas óptimas, etc.). Otra característica importante a ser mencionada es que los parámetros del sistema se podrían configurar dinámicamente de acuerdo al estado de la red (tráfico, pérdidas, retardos).

Un simple, rápido y eficiente protocolo de comunicación ha de ser desarrollado para permitir la comunicación entre las VANETs y WSNs. Ambas redes deben compartir información sobre el estado de las carreteras y del tráfico en general. El intercambio de esta información deberá producirse de una manera muy veloz, pues el intervalo en que un coche está

dentro del rango de transmisión del nodo sumidero (gateway) de la WSN es muy corto (ver Figs. 1 y 2). La cooperación entre las redes de sensores y vehiculares permite ampliar el alcance de transmisión de la información sobre seguridad vial. Los vehículos pueden almacenar datos sobre el estado de los distintos segmentos de la carretera y transmitirlos al sumidero de la WSN por la que pasa. Más tarde, si otro coche pasa por esa misma zona, podrá recuperar dicha información del sumidero de la WSN. En la Fig. 1. puede verse un esquema general del sistema global en que se basa una HSVN como la que consideramos en este estudio.

El contenido de los mensajes que se intercambiarán los nodos de la HSVN referentes a la seguridad vial, deberá ser definido. Estos mensajes deben incluir información sobre los diversos segmentos de la carretera (por ejemplo, condiciones climatológicas, localización de accidentes, posibles trabajos en las calles, etc.). Los mensajes podrán incluir una imagen de baja resolución de las intersecciones próximas; de esta manera el copiloto o el conductor podrán dar un vistazo rápido para tener información fiable sobre los lugares donde pasarán próximamente, por si deciden cambiar de intersección. Después de esto, los datos intercambiados entre el sumidero de la WSN y un vehículo en la VANET, deberán ser almacenados o actualizados en sus respectivas bases de datos. Por otra parte, el protocolo que se diseñe deberá manejar varios tipos de intercambios de información (ver Fig. 1), los cuales se describen a continuación:

• El coche que actúa como líder de grupo (coches A y C en la Fig. 1) almacenará la información de los coches que pertenezcan al grupo.

• La información sobre segmentos de carreteras será intercambiada entre los líderes de grupos que circulen en diferentes direcciones (coches A y C en Fig.1).

• La nueva información que reciba el líder del grupo será transmitida hacia todos los miembros de su grupo.

• Los pasajeros tendrán acceso a Internet, mediante AP (Access Points) alojados a lo largo de la carretera o a través del transporte público que tenga conexiones a Internet.

A. Modelos de movilidad en VANETs

En un escenario vehicular, los coches no se mueven libremente a través de todo el área. Éstos deben seguir las vías de una carretera, las calles de una ciudad, respetar señales de tráfico y considerar la presencia de otros vehículos. Además, la distribución de estos nodos no es constante, sino que por el contrario los vehículos tienden a crear grupos. Se debe considerar el tipo de carretera en la cual se circula puesto que la mayoría de estos parámetros (número de carriles, velocidad de los nodos, distancia típica de los trayectos, etc.) cambian de un escenario a otro (rural, urbano o autopista). Para poder lograr resultados realistas, todas estas

características deben ser tomadas en cuenta cuando se diseña una HSVN.

Un modelo de movilidad describe el patrón de

movimiento que deben seguir los nodos en un escenario específico. Estos modelos de movilidad deben ser incluidos en las simulaciones que se lleven a cabo con el objetivo de analizar el comportamiento de un protocolo de comunicación diseñado para HSVN. También es necesario disponer de un protocolo para difundir la información a través de los nodos en la VANET. Es fundamental que la elección de los parámetros de simulación y del modelo de movilidad sea adecuada e incluya obstáculos, calles, semáforos y señalizaciones propios de un escenario urbano, por ejemplo. Algunos trabajos de investigación, como por ejemplo [19], demuestran lo importante que es considerar un modelo de movilidad realista para VANET para que los resultados que se obtengan con las simulaciones sean fiables y se acerquen lo más posible a escenarios reales.

Fig. 1. Escenario general de una HSVN.

B. Propuesta de protocolo de comunicación entre WSNs y

VANETs

A continuación se describe el algoritmo de comunicación entre WSNs y VANETs que hemos diseñado. El objetivo principal es cumplir con todos los tipos de comunicación que se puedan producir entre un vehículo y un sensor estático en la carretera. Se presentan tres tipos de comunicación que

deben ser considerados entre las WSNs y las VANETs, los cuales se pueden observar en la Fig. 1.

a) Comunicación entre un sensor estático en una WSN y un

vehículo en una VANET

WSN � Vehículo: a.1 El sumidero de la WSN detecta un vehículo dentro de su rango

de transmisión. a.2 El sumidero de la WSN envía una petición de conexión (14 bytes) al vehículo que va pasando.

Vehículo � WSN: a.3 El vehículo envía un ACK (14 bytes) al sumidero de la WSN,

incluyendo las coordenadas de su destino (20 bits). De esta manera el vehículo establece cuál es la información de su interés. También incluye el identificador ID (20 bits) del grupo al que pertenece el vehículo, si lo hubiere.

WSN � Vehículo: a.4 Se transmite un paquete que contiene información sobre el

estado de la carretera de todos aquellos segmentos que conoce y que están dentro de la ruta del vehículo hasta su destino. Se asume que todos los nodos (coches y sumidero) tienen un navegador consistente (es decir, mismo mapa, mismos segmentos).Asimismo, se incluye información de la carretera de todos los segmentos a otros destinos distintos del destino del propio vehículo, pues esta información puede interesar a otros vehículos. El contenido del paquete contiene la siguiente información:

a.4.1 Por cada segmento de carretera hay un campo de la cabecera (2 bits) que incluye información acerca del estado de la densidad de tráfico de dicho segmento. La codificación de datos es: 0=segmento libre, 1=segmento semicongestionado, 2=segmento muy congestionado, 3=n/i (no se tiene información). a.4.2 Por cada segmento de la carretera hay un campo de la cabecera (2 bits) que incluye información acerca del estado de la carretera en dicho segmento. La codificación de datos es: 0=buenas condiciones, 1=hielo, 2=lluvia, 3=accidente.

a.5 Se transmite un paquete que contiene una imagen a baja resolución (50 kbytes aproximadamente) del próximo cruce que haya dentro de su trayectoria.

Vehículo � WSN: a.6 El vehículo envía al sumidero de la WSN información (datos e

imágenes) que recolectó previamente de otros vehículos o de otras WSN remotas. En caso de que exista nueva información relacionada al estado de la carretera, el WSN se encarga de actualizar dicha información en su base de datos, esta información es la descrita en a.4.

Vehículo � WSN: a.7 El vehículo abandona el rango de transmisión del sumidero de

la WSN y la conexión termina.

b) Comunicación Vehículo a Vehículo. Vehículos que se

mueven en la misma dirección.

Vehículo A � Vehículo B: b.1 El vehículo B es detectado por el vehículo A dentro de su

rango de transmisión. El vehículo B está detrás del vehículo A, misma dirección (ver Fig. 1). b.2 Una petición de conexión (14 bytes) se envía del vehículo A al vehículo B.

Vehículo B �Vehículo A:

b.3 Un ACK (14 bytes) es enviado como respuesta del vehículo B al vehículo A. Esto incluye el ID del grupo (identificación, 20 bits). Además de las coordenadas de su destino.

Vehículo A � Vehículo B: b.4 Se transmite información de la carretera relativa a todos

aquellos segmentos que están dentro de la ruta del vehículo B hasta su destino y también información de la carretera relativa a los caminos que tengan otras rutas. El contenido del paquete contiene la siguiente información:

b.4.1 Ver a.4.1. b.4.2 Ver a.4.2.

b.5 Se transmite un paquete que contiene una imagen a baja resolución (50 kbytes aproximadamente) del próximo cruce que haya dentro de su trayectoria.

Vehículo A � Vehículo B: b.6 Vehículo A sale del límite de cobertura del vehículo B y la

comunicación termina.

c) Comunicación Vehículo a Vehículo. Vehículos que se

mueven en direcciones opuestas.

Vehículo A en una dirección � Vehículo C en la dirección opuesta (ver Fig. 1).

c.1 En el caso de detectar un vehículo en la dirección opuesta, la conexión se establece solo por los primeros vehículos de cada grupo (líder de grupo). La comunicación entre el vehículo A y el vehículo C será como se describe en b); desde b.1 a b.6

c.2 Cada líder de grupo difunde la nueva información de la ruta dentro de su grupo.

Hemos hecho algunas consideraciones relacionadas con

la cantidad de información necesaria para poder comunicar el estado del camino para todos los segmentos que pertenecen al trayecto de un mismo destino. Básicamente, el número de segmentos sobre los cuales hay que enviar información depende del tipo de escenario (urbano, rural, autopista) y de la distancia que exista hasta el destino. Por ejemplo, en el caso de una autopista cuya distancia hasta un destino típicamente sea de 500 km y los segmentos del camino (localizados en las salidas de la autopista) tengan una distancia de unos 10 km, en promedio existirán 50 segmentos por destino. En caso de que el escenario sea una carretera, con una distancia hasta el destino de unos 50 km y los segmentos de unos 5 km de longitud, serán entonces 10 segmentos por destino. Finalmente, en los escenarios de ciudad donde las distancias promedios de los viajes son de 5 km, los segmentos serán de 200 m y el total de segmentos serían 25 por trayecto medio. En resumen el número de segmentos dependiendo el tipo de escenario queda de la siguiente manera:

• Autopista, 500 km trayecto total, 50 segmentos. • Carretera, 50 km trayecto total, 10 segmentos. • Ciudad, 5 km trayecto total, 25 segmentos.

A continuación presentamos unos cálculos sobre la

cantidad de información que intercambian los nodos ad hoc de una HSVN y el tiempo disponible que tienen vehículos y nodos sensores para proceder con dicho intercambio. Nos

centraremos primero, a modo de ejemplo, en el escenario carretera, siendo los cálculos similares para los escenarios autopista y ciudad. En un sólo paquete de 1000 octetos (tamaño de los paquetes transmitidos que hemos utilizado) es posible codificar hasta 1995 segmentos (1995 = (1000*8-20bits_ID) / 4bits_cabecera). Para un desplazamiento en carretera, un intercambio típico entre el sumidero de una WSN y un coche perteneciente a la VANET incluirá información acerca de 10 segmentos correspondientes a la información del destino de interés de ese vehículo. Cabe mencionar que existe espacio disponible dentro de un mismo paquete para incluir información acerca de 198 destinos más en carretera, donde 198=[(1995-10)/10]. En una autopista, un paquete puede llevar información acerca de 40 destinos (1995/50) y en un entorno de ciudad aproximadamente acerca de 80 destinos (1995/25).

• Autopista, información de 40 destinos por paquete. • Carretera, información de 198 destinos por paquete. • Ciudad, información de 80 destinos por paquete.

Cada vehículo transmite una señal guía (beacon) cada 10

mseg con el fin de que los demás nodos dentro de la red ad hoc estén percatados de ellos. Cuando un vehículo se encuentra fuera del rango del nodo sumidero de la WSN no recibirá las señales guía, por lo que el nodo sumidero dejará de enviarle información. El MAC IEEE 802.11b posee un enlace del ancho de banda de carácter nominal de 11Mbps, y un throughput aproximado de th=7Mbps (para tráfico tipo UDP).

Estos valores corresponden al MAC IEEE 802.11.b, ya

que es el utilizado en las simulaciones de este trabajo al ser el MAC implementado actualmente en el simulador elegido para probar nuestra primera propuesta en un escenario general. En un futuro se pretende trabajar con el MAC 802.11.p, más específico para entornos vehiculares. De todos modos, el protocolo de comunicaciones diseñado en este trabajo funciona independientemente del MAC, sea IEEE802.11b o IEEE802.11p.

Hemos considerado una velocidad máxima de v (km/h) y

un rango de transmisión del nodo sumidero de r (m). El tiempo disponible para el intercambio de información entre vehículo y nodos sumidero de la WSN es por tanto de Tdisponible=2r/v (seg.). Para los tres escenarios considerados, y un radio de cobertura del nodo sumidero de r =80m, esto nos da unos tiempos disponibles para la transacción de la información de:

• Autopista, v=120 km/h, Tdisponible=2r/v=4,8 seg. • Carretera, v=80 km/h, Tdisponible=2r/v=7,2 seg. • Ciudad, v=50 km/h, Tdisponible=2r/v=11,52 seg.

Durante este tiempo la comunicación se establece y la

transmisión de todos los paquetes deberá tener lugar, de acuerdo al intercambio de mensajes descrito en el punto a del protocolo de comunicación. Se enviará la información relacionada a los segmentos del trayecto en un simple paquete de tamaño p=1000 bytes, el cual tarda Tsegmentos_camino=p/th=1,14 ms en enviarse. Son necesarios 50

paquetes para enviar una imagen de 50 kbytes, que tarda en enviarse Timagen=0,057 seg. (50 kbytes/7Mbps). Entonces, el tiempo total necesario para enviar dicha información es Trequerido=Tsegmentos_camino+Timagen=0,058 sec. Todo intercambio de información (datos e imágenes) entre el coche y el sensor sumidero de la WSN ha de producirse tal que Trequerido<Tdisponible. De los números anteriores, vemos que sí es posible. La ilustración de estos intervalos se halla en la Fig. 2. Además, se podrán enviar más imágenes de otras intersecciones posteriormente, puesto que todavía hay tiempo hasta final de cobertura.

Fig. 2. Intercambio temporal disponible para intercambiar mensajes.

IV. SIMULACION Y RESULTADOS

Para validar el protocolo de comunicación propuesto entre WSNs y VANETs, se han realizado varias simulaciones de la transmisión de datos entre diferentes nodos en una HSVN. Se ha utilizado el Simulador libre NCTUns en su versión 6.0 (National Chiao Tung University Network

Simulator) [20].

Se ha trabajado con un escenario simple (un nodo sumidero y un grupo de cuatro coches), el cual asume que el sumidero ya cuenta con la información que han monitorizado los diferentes sensores que pertenecen a la WSN. En las simulaciones el sumidero envía paquetes de datos del segmento al último coche del grupo. Para ello, los otros coches del grupo funcionan como ruta de transmisión del protocolo de encaminamiento. Los coches están separados entre sí por una distancia de 130 metros.

Los nodos móviles cuentan con el programa CarAgent, presente en el simulador, el cual permite que los nodos sigan la carretera diseñada. Se han modificado las velocidades de los coches, los tamaños de los paquetes y el protocolo de encaminamiento para poder observar el comportamiento de la red. Se ha analizado la pérdida de paquetes bajo dos protocolos de encaminamiento y con diferentes parámetros antes mencionados. Estos parámetros se listan en la Tabla 1.

En las simulaciones comparamos el comportamiento del protocolo AODV [21] con respecto al DSR [22] en términos de paquetes perdidos. Los protocolos utilizados son DSR y AODV, los dos son protocolos reactivos, pero que difieren en el hecho de que DSR incluye en la cabecera del paquete la lista de todos los nodos por los que debe pasar para llegar a su

destino. En AODV el paquete solo incluye la dirección destino y la dirección del próximo salto a seguir, además de utilizar una pequeña tabla de encaminamiento de nodos vecinos. Hemos utilizado estos protocolos por ser los que están implementados en el simulador, NCTuns. Como fruto de la evaluación de prestaciones con cada uno de ellos bajo diferentes condiciones y escenarios, podremos comprobar cuál de ellos es más adecuado para posteriormente ser modificado y adaptado a VANETs en un trabajo futuro.

Además presentamos un intervalo de confianza del 80% para los valores obtenidos, donde se realizaron 5 simulaciones por escenario. En la Fig. 3 se puede ver la evolución de la pérdida de los paquetes usando el protocolo AODV. En la Fig. 4 se observan la pérdida de paquetes con el protocolo DSR. De acuerdo con los resultados puede observarse que AODV tiene un buen comportamiento en el caso de velocidades bajas (menores a 80km /h), por lo cual sería un protocolo ideal en caso de ser usado en escenarios de ciudad donde las velocidades suelen ser moderadas. En el caso del protocolo DSR, presenta una baja tasa de pérdidas en comparación con AODV en el caso de utilizar altas velocidades. Esto usando paquetes de 1000 octetos que producen menos pérdidas.

Tabla 1. Parámetros de simulación

Velocidad de los nodos 40 a 80 km/h

Número de carriles en la vía 4 (dos en cada

dirección) Tamaño de la carretera 2 km

Numero de nodos móviles en la VANET

4

Numero de nodos en la WSN

1 nodo sumidero

Rangos de transmisión 200 m Protocolo de

encaminamiento en la HSVN

AODV y DSR

Tamaño de paquetes 500, 1000 y 1500

octetos Tiempo de simulación 80 segundos Transmisión de datos 1Mbps

MAC IEEE 802.11b Capacidad nominal 11 Mbps

Fig. 3. Evolución de pérdida de paquetes para AODV.

WSN

sumidero

t0 tdisponible

t

0

2

4

6

8

10

12

14

16

40 60 80 100 120

% p

aq

uet

es p

erd

ido

s

Velocidad del coche (km/h)

500 bytes

1000 bytes

1500 bytes

Fig. 4. Evolución de pérdida de paquetes para DSR.

V. CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO

En este artículo se ha mostrado el comportamiento en cuanto a la pérdida de paquetes de los protocolos AODV y DSR en una HSVN que incluye la propuesta del protocolo de comunicación entre WSN y VANET. El resultado de la simulación muestra la eficacia de AODV para escenarios de bajas velocidad (ciudad) y DSR en escenario de altas velocidades (autopista).

Como trabajo inmediato se realizará el análisis de este mismo escenario pero bajo otros protocolos de encaminamiento GSR (Geographic Source Routing) [23], SAR (Spatial Aware Routing) [24], VADD (Vehicular

Assisted Data Delivery) [25]. También procederemos a evaluar el comportamiento de la VANET usando el estándar MAC IEEE 802.11p específico para este tipo de redes. Además de enfocarnos en el desarrollo de un protocolo de encaminamiento propio cross-layer que ofrezca QoS, y poder comparar sus prestaciones con los resultados anteriores.

AGRADECIMIENTOS

Éste trabajo ha tenido el apoyo del Ministerio Español de Ciencia y Educación bajo los proyectos ITACA (TSI2007-65393-C02-02) y CICYT CONSEQUENCE (TEC2010-20572-C02-02). C. Tripp Barba conto con el apoyo de la Comisión para las Universidades e Investigación del DIUE de la Generalitat de Catalunya y del Fondo Social Europeo con la beca FI-Agaur y del programa Doctores Jóvenes en Áreas Estratégicas de la UAS (Universidad Autónoma de Sinaloa, México). Asimismo, G. Díaz-Delgado ha contado con el apoyo de becas de CONACYT, PROMEP-UAQ, México y Fundación Carolina, España. Finalmente los autores desean agradecer a los revisores sus comentarios que fueron un gran aporte.

REFERENCIAS

[1] C. Siva Ram Murthy, B.S. Manoj. “Ad Hoc Wireless Networks: Architectures and Protocols”. June 3, 2004 ISBN: 978-0131470231.

[2] H. Hartenstein, K. Laberteaux. “VANET Vehicular Applications

and Inter-Networking Technologies (Intelligent Transport Systems)”. Wiley, March 2010. ISBN: 978-0470740569

[3] K. Sohraby, D. Minoli, T. Znati. “Wireless Sensor Networks: Technology, protocols and applications”. Wiley Interscience, 2007. ISBN: 978-0-471-74300-2.

[4] S. Olariu, M. Weigle. “Vehicular Networks from Theory to Practice”. Norfolk Virginia, USA. Chapman and Hall, 2009. ISBN: 978-1420085884.

[5] B. Hofman-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins. “Global Positioning System: Theory and Practice”. Springer, 2001. 5th Ed. ISBN: 3211835342.

[6] D. Jiang, L. Delgrossi. “IEEE 802.11p: Towards an International Standard for Wireless Access in Vehicular Environment”. 67th IEEE Vehicular Technology Conference VTC. Singapore, 2008.

[7] C2C. Car-To-Car Communication Consortium. http://car-to-car.org/.

[8] CVIS. Cooperative Vehicle-Infrastrucure Systems http://www.cvisproject.org/

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[17] TomTom. http://www.tomtom.com/.

[18] GARMIN. http://www.garmin.com/garmin/cms/site/es.

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[20] NCTUns 6.0 (Network Simulator and Emulator). 2010. http://nsl.csie.nctu.edu.tw/nctuns.html.

[21] Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Routing. http://www.ietf.org/rfc/rfc3561.txt

[22] The Dynamic Source Routing Protocol (DSR. http://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4728.txt

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