Contribución a los mecanismos de virtualización y enrutado para aplicaciones de conducción autónoma en redes ad-hoc móviles y vehiculares

Abstract

Los dispositivos electrónicos portátiles han ido cobrando un gran protagonismo en nuestra vida diaria a lo largo de los últimos años, y con ellos las comunicaciones inalámbricas. Ya no se trata únicamente de ordenadores portátiles, teléfonos inteligentes o tabletas, el Internet clásico está dando paso a lo que se denomina Internet de las cosas, donde objetos cotidianos son capaces de conectarse a la red e interactuar en diversas aplicaciones. Una de sus ramas más relevantes es el Internet de los vehículos, el cual, a medida que aumenta el número de vehículos capaces de conectarse al Internet de las cosas será el siguiente paso en las redes de comunicación entre vehículos. El principal propósito de esta rama es combinar los recursos de múltiples vehículos, redes y cosas (señales de tráfico, semáforos, dispositivos inteligentes de pasajeros o peatones, unidades de cómputo al borde de las carreteras, etc.) para proporcionar un entorno de comunicación robusto sobre el que sustentar numerosos servicios y aplicaciones. Este nuevo panorama está destinado a cambiar el entorno vehicular tal y como lo conocemos, facilitando un mejor uso de las carreteras y una mayor seguridad, con los llamados Sistemas de Transporte Inteligentes a la par de numerosos servicios de información y comunicaciones para conductores, pasajeros y peatones. Esto supondría pasar del caótico estado actual del tráfico en ciudades y carreteras a un modelo eficiente y autorregulable, avanzando hacia las ciudades y carreteras inteligentes con conducción autónoma, donde el usuario pueda desplazarse de la manera más eficiente, cómoda y segura posible. El despliegue de estos servicios requiere una red de comunicaciones estable que cumpla con las necesidades de los mismos. Para ello, la mayoría de las propuestas se centran en dos tecnologías: el estándar 802.11p y las redes celulares 5G. Entre estas dos tecnologías a día de hoy la primera se encuentra en una posición ventajosa, siendo la más asentada y con mayor presencia en el mercado del automóvil, dado que se trata de un estándar ya aprobado y listo para su despliegue. Por tanto, todo parece indicar que en el futuro más inmediato este estándar será el que dé soporte a las primeras redes de comunicación entre vehículos. Aunque dependiendo de cómo este estándar sepa adaptarse a las necesidades crecientes de este tipo de aplicaciones, en algún punto podría verse reemplazado por las bondades de las redes celulares 5G. Las redes 802.11p se basan en comunicaciones vehículo a vehículo y vehículo a infraestructura, de modo que se despliega una red ad-hoc entre los dispositivos móviles próximos mientras que en las aplicaciones que lo requieran, el acceso a Internet se consigue comúnmente a través de unidades de cómputo al borde de las carreteras (infraestructura). El estándar define al detalle las capas más bajas de la pila de protocolos (física y de acceso al medio) adaptándolas a este tipo de escenarios para establecer una comunicación punto a punto de manera fiable y especialmente rápida. Sin embargo, a la hora de desplegar una red ad-hoc, el número de saltos en las comunicaciones aumenta, y debemos apoyarnos en niveles más altos de la pila de protocolos. Es aquí donde nos encontramos con numerosas adversidades a la hora de establecer y especialmente de mantener estas comunicaciones multisalto, debido a las características propias de las redes vehiculares: gran movilidad de los nodos que derivan en cortos períodos de conectividad, obstáculos de grandes dimensiones que impiden la comunicación directa entre nodos, gran heterogeneidad en la densidad de dispositivos, etc. Todo ello conlleva que los protocolos utilizados para redes móviles estándar no funcionen de manera adecuada en este nuevo escenario. La solución más sencilla es la de aumentar la infraestructura, instalando numerosos dispositivos al borde de las vías que actúen como enrutadores del tráfico de datos a la vez que proporcionan acceso a Internet. Sin embargo esta solución no es escalable y en la mayoría de los casos es inviable debido a su elevado coste. Por ello lo más razonable parece centrarse en mejorar la estabilidad y eficiencia de las redes adhoc, tratando de minimizar o incluso eliminar, cuando sea posible, la dependencia de una infraestructura. Una de las soluciones más interesantes propuestas para mejorar el funcionamiento de las redes ad-hoc es la virtualización de nodos. Se trata de un mecanismo de agrupamiento o clustering, según el cual, se divide el escenario de despliegue de la red en pequeñas regiones geográficas, dentro de cada una de las cuales se organizan los nodos físicos para simular, de forma colaborativa, la existencia de un nodo estático llamado nodo virtual. De este modo, se simula la existencia de una infraestructura de nodos estáticos en posiciones geográficas conocidas resultado de la colaboración de los dispositivos móviles que participan en esta red ad-hoc virtualizada. Estos pueden ser empleados como entidades de enrutado, almacenamiento o procesado por otros protocolos o aplicaciones, ocultándoles la movilidad subyacente de los nodos físicos que realmente dan soporte al sistema. En esta línea, la presente tesis propone una serie de mecanismos y algoritmos en diferentes niveles de la pila de protocolos tratando de crear un entorno de comunicaciones estable y eficiente sobre el que poder desplegar de manera fiable servicios y aplicaciones orientados al transporte inteligente y la conducción autónoma. En primer lugar se han propuesto numerosas mejoras en los protocolos de virtualización, tratando de combatir los efectos de la alta movilidad y creando una robusta red de nodos virtuales estáticos que sirva como base sobre la que sustentar el resto de funcionalidades. El siguiente paso ha sido diseñar diferentes protocolos de enrutado que, apoyándose en la red virtual, sean capaces de cumplir con los requisitos de calidad de servicio de las aplicaciones objetivo, ofreciendo diferentes alternativas para distintas aplicaciones y escenarios. Es importante destacar la modularidad del sistema de capas, permitiendo que casi cualquier protocolo de enrutado, más allá de los propuestos, pueda ser adaptado al funcionamiento sobre nodos virtuales pudiendo incorporar diferentes configuraciones dentro del sistema. Una vez implementados y validados los protocolos de las capas intermedias del modelo, se procedió a realizar las pruebas finales dando soporte a aplicaciones de transporte inteligente y conducción autónoma. Para ello se diseñó e implementó un protocolo de semáforos virtuales capaz de coordinar maniobras de convoyes de vehículos en un área urbana, aprovechando las ventajas de la red virtual y los protocolos de enrutado diseñados. A fin de validar la propuesta planteada, se realizaron diversos experimentos tanto de cada una de las capas de forma individualizada, como de su funcionamiento en conjunto con diferentes aplicaciones y en diversos escenarios. Para ello se realizaron numerosas simulaciones combinando simuladores de redes para la parte de comunicaciones y de tráfico para la movilidad vehicular. Los resultados muestran como los nuevos mecanismos de encaminamiento implementados junto con las mejoras introducidas en el nivel de virtualización mejoran de forma notable las prestaciones de las comunicaciones en redes vehiculares respecto a varios algoritmos relevantes en este campo. Gracias a ello hemos podido dar soporte a aplicaciones en el ámbito del vehículo autónomo y el transporte inteligente, consiguiendo grandes mejoras en la gestión del tráfico en entornos urbanos.

Os mecanismos de virtualización en redes MANET e VANET supoñen unha solución moi interesante para mitigar os problemas derivados da alta mobilidade neste tipo de redes. Este proxecto pretende desenvolver un modelo de rede virtual capaz de traballar de forma eficiento nun escenario mixto (MANET + VANET) como as cidades intelixentes, experimentando con diferentes métodos de enrutado e mecanismos de virtualización.

The mechanisms of virtualization in MANET and VANET networks shape a very interesting solution to palliate the problems resulting from the high mobility in those kinds of networks. This proyect intends to develop a virtual network based model which be able to work efficiently in mixed scenerios (MANET + VANET) like smart cities, experimenting with different routing methods and virtualization mechanisms.