APLICACIONES PARA REDES VANET ENFOCADAS EN LA SOSTENIBILIDAD AMBIENTAL, UNA REVISIÓN SISTEMÁTICA
VANET APPLICATIONS FOCUSED ON ENVIRONMENTAL SUSTAINABILITY, A SYSTEMATIC REVIEW
Oscar Orozco Sarasti1, Gonzalo Llano Ramírez2
1 Ingenieroen Electrónica y Telecomunicaciones, Joven Investigador, Grupo de Investigación en Informática y Telecomunicaciones (i2t). Universidad Icesi, Cali, Colombia, oaorozco@icesi.edu.co
2 Ing. Electricista, Master en Tecnologías, Sistemas y Redes de Comunicación, Ph.D. en Ingeniería de Telecomunicaciones, Profesor tiempo completo, Facultad de Ingeniería, Departamento de TICs. Universidad Icesi, Cali, Colombia, gllano@icesi.edu.co
Fecha de recepción: 6 de febrero de 2014. Fecha de aprobación: 12 de mayo de 2014
Referencia: O. Orozco Sarasti, G. Llano Ramírez. (2014). Aplicaciones para redes VANET Estimación del exponente de Hurst y dimensión fractal para el análisis de series de tiempo de absorbancia UV-Vis. Ciencia e Ingeniería Neogranadina, 24 (2), pp. 111-132.
RESUMEN
La alta demanda de energía en sectores clave de la productividad incita a una búsqueda permanente de nuevas formas de utilizar los recursos naturales no renovables, que contribuya al mejoramiento de aspectos como sostenibilidad y eficiencia. Los Sistemas Inteligentes de Transporte Verdes buscan el mejoramiento de la movilidad, la reducción de la accidentalidad y la mitigación del impacto ambiental mediante la gestión inteligente del tráfico vehicular a través de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC). Este artículo presenta una revisión de las Redes Vehiculares Ad hoc (VANET), sus características y enfoques, además de la clasificación de sus aplicaciones, los modelos de movilidad utilizados, y una caracterización para el modelado del tráfico vehicular, junto con sus particularidades, en Colombia. Se concluye con la tendencia actual de simulación y el desarrollo futuro del proyecto de investigación.
]]> Palabras clave: CRN, Modelo de Movilidad, OSA, Sistemas Inteligentes de Transporte Verdes, V2X, VANET, WAVE.ABSTRACT
High energy demand in productivity key sectors promotes a constant search for new ways to use non-renewable natural resources that contribute to improve sustainability and efficiency. Green Intelligent Transportation Systems (Green ITS) aim to improve mobility, reduce accident rates, and mitigate environmental impact through intelligent traffic management using Information and Communication Technologies (ICT). This paper presents a systematic review of Vehicular Ad hoc Networks (VANET), their features and approaches, as well as the classification of their applications; it also presents the mobility models used and a description of a modeling approach of the vehicular flow in the Colombian roadways. The paper concludes by showing current simulation trends and the future development of the research project.
Keywords: CRN, Green ITS, Mobility Model, OSA, V2X, VANET, WAVE.
INTRODUCCIÓN
En los últimos años, los índices de gases de efecto invernadero (GEI) han crecido de manera alarmante debido al mayor uso de combustibles fósiles e hidrocarburos. Por ende, este incremento ha contribuido negativamente al calentamiento global [1]. Dos de los sectores de la economía que reportan más emisiones de GEI son los de industria y transporte, por lo que la Organización de Naciones Unidas (ONU) propone analizar y enfrentar el problema por sectores económicos en cada región [2].
En Colombia, el Plan Nacional de Desarrollo en el marco de la economía verde plantea a "la sostenibilidad ambiental como prioridad, elemento esencial del bienestar y principio de equidad con las futuras generaciones" [3]. Así pues, el transporte hace parte de los programas para el fomento de energías renovables. En años recientes, sectores como la industria automotriz, autoridades ambientales y Tecnologías de la Información y Comunicaciones (TIC) han unido esfuerzos para plantear soluciones en el marco de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) que abarquen tres aspectos: seguridad vial, transporte eficiente e impacto ambiental [4].
En vista de lo anterior surge una derivación de los ITS enfocada principalmente en el estudio de aspectos relacionados con el medio ambiente. El resultado se ha denominado Sistemas Inteligentes de Transporte Verdes o Green ITS (por sus siglas en inglés), cuyos servicios y aplicaciones están orientados a reducir el consumo de energía, mitigar las emisiones de GEI, optimizar el uso de la infraestructura vial y disminuir el índice de fatalidades ocasionadas por accidentes de tránsito, entre otros [5,6]. En este contexto, las Redes Vehiculares Ad hoc (VANET) poseen un alto potencial de desarrollo en cada una de las áreas de aplicación de los Green ITS y forman parte de ellos [7].
La naturaleza ad hoc de las VANET las distingue de otro tipo de redes vehiculares, como las formadas entre los distintos sensores con los que cuentan los automóviles modernos (sensores de parqueo, lluvia, frenado, velocímetros, giroscopios, GPS, etc.) y que se enfocan principalmente en brindar información al conductor. Debido a esto, las VANET presentan características especiales en aspectos como throughput, confiabilidad, velocidad de los nodos y utilización de ancho de banda en comparación con otras redes inalámbricas.
Con el fin de afrontar dichas características, la comunidad científica y académica ha realizado investigaciones que modelan ambientes vehiculares para facilitar la simulación de los mismos. Como resultado se han desarrollado modelos de movilidad adaptados a dichos ambientes, que buscan la predicción del comportamiento de los vehículos en las carreteras, y así lograr un mayor realismo de las simulaciones y una mejor cuantificación de los resultados que se obtengan [8].
]]> Debido a las particularidades presentes en las vías colombianas (estilo de conducción agresivo, paradas inesperadas, vehículos antiguos, entre otras); las caracterizaciones de estos modelos de movilidad pueden ser poco viables al momento de trabajar con escenarios del país. Es por esto que se propone una adaptación del modelo de movilidad IDM teniendo en cuenta dichas particularidades. Por otra parte, el presente artículo presenta una revisión acerca de los simuladores actuales para redes VANET, sus principales características, falencias y las tendencias actuales en dicho campo.1. REDES VANET
Las redes vehiculares se consideran una especialización de las Redes Móviles Ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Networks) y su principal diferencia es que los nodos están restringidos a moverse únicamente a lo largo y ancho de las vías. En una VANET, cada vehículo se define como un nodo de la red y está equipado con una unidad de comunicación a bordo denominada OBU (On-Board Unit) y una unidad de aplicación llamada AU (Application Unit). La función de la OBU es intercambiar información con otros vehículos o con puntos de acceso estacionarios ubicados alrededor de las carreteras, denominados RSU (Road-Side Unit); mientras que las AU hacen referencia a los dispositivos que muestran información al usuario. Generalmente se les da esta denominación a dispositivos como computadores portátiles, smartphones o pantallas ubicadas dentro del nodo y que se encuentran conectados a la OBU [9-10].
Los elementos que conforman las redes VANET al operar entre sí forman dominios, que hacen referencia a un conjunto de elementos lógicos y físicos que funcionan colectivamente para establecer comunicaciones entre nodos y RSU. Estos dominios se clasifican de acuerdo a su funcionamiento en [11-13]:
Los componentes y dominios descritos anteriormente se muestran en la Figura 1.
]]> 1.1.CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES VEHICULARESSe han definido dos tipos o escenarios de comunicación en las redes vehiculares: la comunicación inter-vehicular o vehículo a vehículo (V2V), en la que los automóviles intercambian mensajes directamente, y la comunicación vehículo a infraestructura (V2I), en la que el intercambio se realiza con las RSU, además de peajes y puntos de acceso a Internet. En conjunto, las comunicaciones V2V y V2I se conocen como V2X y sus principales características se describen a continuación [11,14-16]:
1.2. ENFOQUES DE LOS SISTEMAS INTELIGENTES DE TRANSPORTE
El funcionamiento y operación de las redes vehiculares está ligado a protocolos, estándares, modelos de arquitectura y tecnologías que se utilizan para procesar la información y satisfacer las demandas de calidad relacionadas con las aplicaciones para este tipo de redes. Dichas tecnologías están sujetas a modificaciones por parte de los diversos organismos de estandarización a nivel mundial dependiendo de las necesidades de cada región.
]]> Globalmente, dos de los enfoques más importantes en materia de desarrollo e investigación de las redes VANET son el enfoque norteamericano y el enfoque europeo; los cuales comparten ciertas similitudes, pero a su vez cada uno presenta características singulares.1.2.1 Enfoque ITS por la IEEE
Estados Unidos ha sido uno de los pioneros en ITS, en donde se han puesto en marcha varios proyectos piloto y se han realizado diversos avances relacionados con redes vehiculares. En 1999, la Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission) asignó 75 MHz de ancho de banda en la frecuencia de 5,9 GHz para los servicios de ITS denominados DSRC (Dedicated Short-Range Communications). En el año 2002, la Sociedad Americana de Transporte Inteligente (Intelligent Transportation Society of America) recomendó la adopción de un único estándar para la capa física y para la capa de acceso al medio (MAC, Medium Access Control) propio de las VANET.
En consecuencia, en el año 2004 se consolidó el grupo de trabajo IEEE TFp (Task Force p) con el objetivo de definir una arquitectura de comunicación para entornos vehiculares basada en la tecnología inalámbrica para redes de área local IEEE 802.11, denominada IEEE 802.11p. Más adelante, el grupo de trabajo desarrolló un conjunto de especificaciones de las capas de red, transporte y aplicación para las comunicaciones vehiculares, que se denomina IEEE 1609 [17-18].
Los estándares IEEE 802.11p e IEEE 1609 definen el acceso inalámbrico en ambientes vehiculares, y se denominan WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments). WAVE proporciona una arquitectura para las comunicaciones V2X, destinada al uso de aplicaciones de seguridad y eficiencia vial. La Figura 2 muestra la pila de protocolos de la arquitectura WAVE.
El estándar IEEE 802.11p define las características de la capa física y MAC necesarias para operar en un ambiente vehicular.
La familia de estándares IEEE 1609 define los aspectos de operación y gestión de la capa de red, de transporte y de aplicación de la arquitectura WAVE. A continuación se describe brevemente cada estándar [21-25]:
1.2.2. Enfoque ITS por la ETSI
Europa ha desarrollado su propio enfoque de ITS, que posee ciertas similitudes y diferencias en comparación con el enfoque de la IEEE; estas últimas básicamente se aprecian en la utilización de protocolos propios europeos en la capa MAC (como el Control de Congestión Descentralizado (DCC, Decentralized Congestion Control)) [26]. Éste se desarrolla en conjunto por varias entidades, entre las cuales se resaltan el proyecto investigativo COMeSafety, el Comité de Estandarización Europeo (CEN, European Committee for Standardization), además de todos los grupos de trabajo de la ETSI TC ITS (WG, Working Groups), cada uno con un énfasis en cada aspecto de la arquitectura de red.
En la Figura 3 se observa la arquitectura de comunicación ITS por la ETSI, que se compone de cuatro capas horizontales, además de contar con gestión y seguridad "horizontal" en cada capa.
2. APLICACIONES Y MODELOS DE MOVILIDAD
2.1. APLICACIONES VEHICULARES
Las VANET proporcionan una oportunidad para el desarrollo de aplicaciones que mejoren las condiciones de transporte y tráfico vehicular mediante sistemas colaborativos basados en comunicaciones V2X. Según la función, las aplicaciones vehiculares se clasifican en tres categorías: seguridad vial, eficiencia vial y servicios comerciales y de información [27].
2.1.1. Aplicaciones en seguridad vial
Estas aplicaciones tienen como función monitorear y recolectar continuamente información acerca del estado de las vías con el fin de prevenir accidentes y percances. Son el soporte primordial para el estudio y evaluación de técnicas y procedimientos a implementar en redes vehiculares y se pueden agrupar en tres sub-categorías [28]:
2.1.2. Aplicaciones de eficiencia de tráfico
El propósito de estas aplicaciones es mejorar las condiciones del tráfico mediante la gestión y el monitoreo del tránsito de vehículos y las condiciones de las vías. Es necesario destacar que las dos aplicaciones propuestas para el desarrollo futuro del proyecto de investigación recaen en esta clasificación, dado que están enfocadas hacia el mejoramiento de la movilidad y la eficiencia energética. De acuerdo a su función, las aplicaciones de eficiencia se dividen en dos sub-categorías:
2.1.3. Aplicaciones de información y entretenimiento (infotainment)
Este tipo de aplicaciones se enfocan en brindarle a los conductores y a los pasajeros servicios de entretenimiento e información.
2.2. MODELOS DE MOVILIDAD
Específicamente, los modelos de movilidad hacen referencia al patrón de movimiento de los nodos en una red ad hoc y determinan la ubicación de éstos en la topología en un instante de simulación dado. Además describen el cambio de posición, velocidad y aceleración de los nodos en el tiempo [29-30]. Los modelos de movilidad en redes vehiculares se clasifican de acuerdo a las características con que describen el patrón de movimiento de los nodos. Hay cuatro clasificaciones para los modelos de movilidad, las cuales se describen en la siguientes subsecciones.
2.2.1. Modelos aleatorios (Random Models)
Los modelos aleatorios describen el movimiento de los vehículos mediante patrones generados aleatoriamente y especifican situaciones en las cuales los nodos tienen la libertad de moverse en cualquier dirección y con distintas velocidades. Para el caso de las redes VANET, los modelos de movilidad aleatorios son poco utilizados debido a que los vehículos están restringidos a moverse a lo largo y ancho de las vías y no pueden tomar caminos aleatorios o desordenados. Entre los modelos de movilidad aleatorios se destacan [31]:
2.2.2. Modelos de tráfico (Traffic Models)
Los modelos de tráfico se basan exclusivamente en estudios teóricos de tráfico para tratar de cuantificar una topología de red. Estos modelos establecen el patrón de movimiento de los vehículos en las simulaciones con base en teorías de tráfico, lo que contribuye a lograr simulaciones detalladas del flujo vehicular pero, al igual que los modelos aleatorios, el no incluir características propias de redes vehiculares y sus nodos (como el estilo de conducción, la longitud de los vehículos, el espacio entre vehículos en intersecciones, etc.) hace que sean utilizados únicamente para estudios particulares [32].
2.2.3. Modelos de flujo (Flow Models)
Con el fin de incrementar el nivel de realismo en los modelos de movilidad, los modelos de flujo consideran la interacción entre los vehículos y su entorno. Existe una sub-clasificación de acuerdo a la granularidad del modelo [33]:
2.2.4. Modelos de comportamiento (Behavorial Models)
Dado quelos modelosdemovilidad generalmente se enfocan en describir las características de los vehículos, vías y demás, surgió una clasificación adicional para algunos modelos que se centran en describir el comportamiento de los conductores antes que otras variables. Es por esto que los modelos de comportamiento toman como variables más relevantes el estilo de conducción de las personas y sus posibles reacciones ante eventos, con el fin de evitar patrones de movimiento aleatorios. Los datos obtenidos mediante estos modelos se ajustan a simuladores computacionales con el fin de analizar sus posibles consecuencias en redes VANET [34].
La Figura 6 muestra un resumen de la anterior clasificación de los modelos de movilidad en el que también se han adicionado cuatro modelos de movilidad microscópicos, que son los más relevantes al momento de realizar simulaciones de redes VANET.
Una característica importante de algunos modelos de movilidad es su flexibilidad y facilidad con que permiten ser adaptados a condiciones particulares de trabajo. En consecuencia, surgen modelos propios, especificados por autores para cumplir requerimientos puntuales. Por esta razón se ha propuesto [35-37] un mapa conceptual con las principales variables que componen un modelo de movilidad. De este mapa se realizan especializaciones dependiendo de los requerimientos particulares de cada proyecto. Debido a esta flexibilidad de ciertos modelos de movilidad, se propone una adaptación de dicho mapa al entorno colombiano, puesto que existen particularidades que únicamente se presentan en este contexto. El mapa se observa en la Figura 7.
Profundizando en las particularidades que se presentan en las carreteras colombianas, pueden llegar a presentarse diversas situaciones que afectan la movilidad y, por ende, el modelo de movilidad de los vehículos. A continuación se presenta la descripción de los obstáculos que sortean los vehículos y que están explícitos en la Figura 7.
Siguiendo con la descripción de los tópicos presentes en el mapa conceptual de la Figura 7, se tienen varios puntos de atracción y repulsión en donde los vehículos están más cerca y lejos respectivamente. La descripción de dichos puntos se presenta a continuación.
Con respecto a las limitaciones de velocidad mostradas en la Figura 7, a continuación se presenta una breve descripción de cómo pueden afectar la generación de modelos de movilidad.
Por último, pero no menos importante, están los hábitos sociales propios de la cultura colombiana al momento de conducir que pueden afectar un modelo de movilidad.
Después de un detallado análisis descrito por Orozco et al. [38] y tomando en cuenta las descripciones presentadas sobre las variables a tener en cuenta para la generación de modelos de movilidad, se decidió que el modelo de movilidad propuesto y adaptable a las características de los entornos viales colombianos estuviera basado en el Modelo de Conducción Inteligente (IDM, Intelligent Driving Model), que es un modelo determinístico en el que la aceleración de un vehículo depende de su velocidad, de los vehículos que lo rodean y del espacio que tiene con el vehículo precedente. El modelo también plantea la posibilidad de simular el comportamiento de distintos conductores (agresivos, normales y tímidos) y considera las diferencias entre conductores de vehículos particulares y camiones [39]. Este tipo de comportamiento se rige por la ecuación (1).
Con Gcomo distancia existente entre vehículos y los siguientes parámetros:
La Tabla 2 muestra un resumen de las características que influyen en el modelo de movilidad IDM para diversos tipos de conductores.
2.3. SIMULACIÓN DE REDES VANET
La simulación en redes vehiculares es una herramienta ventajosa para analizar y evaluar la viabilidad, los beneficios y las bondades de la implementación de las aplicaciones en los ITS. El grado de realismo y confiabilidad de los resultados de la simulación dependen fundamentalmente de dos aspectos: la integración de un simulador de red con un simulador de movilidad y el uso de métricas adecuadas para la evaluación de los resultados [40].
]]> Las tendencias en simulación de redes VANET han evolucionado desde que este tópico empezó a tomar relevancia entre la comunidad científica y académica. En un principio se modeló únicamente el movimiento aleatorio de los nodos con ayuda de la teoría de tráfico, para pasar a tener en cuenta trazas reales, definir escenarios macroscópicos y microscópicos y llegar a la tendencia actual de simulaciones bidireccionalmente acopladas.Las simulaciones bidireccionalmente acopladas hacen referencia a la comunicación en tiempo real entre el generador de movilidad y el simulador de red. Esto hace que la eficiencia de simulación aumente considerablemente. En la Figura 8 se observa dicha tendencia.
3. VÍAS FUTURAS
El proyecto de investigación que ha surgido dada la revisión de la literatura hecha permite identificar los pasos a seguir con el fin de desarrollar dos aplicaciones para redes vehiculares que se enfoquen en la eficiencia energética. Se ha definido una metodología a seguir con el fin de estructurar el trabajo futuro, empezando por la revisión sistemática presentada en este documento. La siguiente sección indica la metodología adaptada.
3.1. METODOLOGÍA
Para la propuesta, definición, implementación y validación del proyecto se divide el problema en fases o etapas, metodología que permite ir desarrollando y validando cada una de las actividades dentro de las fases de manera estructurada y lógica. Este enfoque modular trae como principal beneficio la capacidad de corregir errores o fallas que se presenten en cada uno de los módulos desarrollados de una manera más sencilla y efectiva. Por lo anterior se han definido las siguientes cuatro fases:
3.1.1. Fase de Investigación
En esta fase se realiza un trabajo de investigación exhaustivo con el propósito de estudiar y comprender los estándares y el estado del arte de los Green ITS, para luego proceder al análisis de los modelos de movilidad con el fin de ajustar los criterios de uso a las características típicas de la ciudad de Cali, Colombia. Esta actividad se realiza mediante el apoyo de consultas de bases de datos internacionales, artículos científicos y documentos de diversos grupos de investigación y estandarización.
El resultado que se espera obtener en esta fase es el de adquirir las competencias y habilidades que permitan elaborar y contextualizar la solución del problema teniendo en cuenta el comportamiento de las redes vehiculares en escenarios colombianos.
3.1.2. Fase de diseño e implementación
La segunda fase comprende el diseño de la arquitectura software para las aplicaciones de eficiencia de tráfico en redes vehiculares. En primer lugar se analizan los requerimientos hardware y software, teniendo en cuenta las características de las aplicaciones vehiculares y, particularmente, en Colombia. Luego se analiza la infraestructura de la red vehicular para obtener los requerimientos específicos de las VANET utilizando los entornos de simulación OMNeT++ y VeINS. Al contar con los requerimientos y resultados de las simulaciones en mapas reales, se procederá a estructurar las aplicaciones vehiculares para eficiencia energética y movilidad sostenible, y se analizará su interoperabilidad con otras aplicaciones de seguridad vial y servicios comerciales y de información.
El resultado a obtener en esta fase consiste en definir, proponer e implementar la arquitectura software para el desarrollo de las aplicaciones de eficiencia energética y movilidad sostenible contextualizadas al entorno de tráfico vial en Colombia.
3.1.3 Fase de pruebas y validación
]]> En esta fase se desarrollan las pruebas y validación de cada uno de los módulos que componen el sistema, para lo cual se plantea el siguiente plan de pruebas:3.1.4. Fase de presentación y análisis de los resultados obtenidos con la aplicación
En esta fase se analizan los resultados obtenidos en las pruebas y se concluye sobre las ventajas de las arquitecturas propuestas. Se procede a escribir un documento con todos los detalles de la investigación, tanto procedimientos como resultados. Asimismo, se harán recomendaciones y se establecerán posibles campos de trabajo futuro.
3.1.5 Contribución a la línea de investigación en el grupo i2T de la Universidad Icesi(Cali, Colombia)
La propuesta y definición de arquitecturas de software para el desarrollo de aplicaciones de eficiencia energética y movilidad sostenible en redes vehiculares ad hoc permite a la comunidad científica contar con un modelo para el futuro diseño de aplicaciones en redes VANET. Adicionalmente se brindará un análisis de modelos de movilidad para el contexto colombiano permitiendo un mejor estudio del comportamiento de las redes vehiculares en escenarios locales. Este proyecto contribuirá a la adquisición y al avance de conocimiento científico en el área de las redes VANET.
]]> 4. CONCLUSIONESLas aplicaciones de eficiencia de tráfico constituyen un importante enfoque de las redes vehiculares, ya que su objetivo principal se centra en hacer más eficientes los trayectos por las vías, mejorando así la sostenibilidad ambiental de las ciudades y afectando positivamente en la calidad de vida de los ciudadanos. Mediante la simulación de las redes VANET es posible definir parámetros necesarios para el desarrollo de este tipo de aplicaciones, siguiendo los lineamientos de los Green ITS, apuntando así a un uso más eficiente de recursos no renovables y a la disminución de cifras de GEI.
Los modelos de movilidad que gobiernan el movimiento de los nodos deben tener en cuenta diversas variables para que caractericen correctamente escenarios vehiculares. En particular, este documento presentó las variables a tener en cuenta para el entorno colombiano con el fin de lograr simulaciones más realistas en el siguiente paso de la investigación realizada.
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo es financiado por el Departamento Administrativo de Ciencia, Tecnología e Innovación(Colciencias),entidadgubernamental Colombiana y su programa de Jóvenes Investigadores, y por el grupo de Investigación en Informática y Telecomunicaciones (i2T) de la Universidad Icesi.
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