Laboratorio. Aplicación de red Ad-hoc

Título: Towards Commercial Mobile Ad Hoc Network Applications:  A Radio Dispatch System.
Autores: Elgan Huangm, Wenjun Hu, Jon Crowcroft y Ian Wassell.

En los últimos años ha habido un interés creciente en el uso de redes móviles ad hoc (MANET) para fines comerciales. Dentro de la industria automotriz ya hay una serie de esfuerzos dirigidos a la utilización de la tecnología de las comunicaciones para mejorar la seguridad del automóvil, proporcionar a los pasajeros información y entretenimiento, y lograr la fluidez del tráfico en las carreteras. Sin embargo, ha habido poco esfuerzo para vincular los aspectos técnicos y de negocio, junto con el fin de diseñar soluciones que sean técnica y económicamente viables; la mayor parte de la investigación se centra actualmente en determinadas cuestiones técnicas. Los escenarios estándar para MANETs tienden a ser innecesarios o demasiado limitados en su alcance.

En este trabajo, proponemos un escenario de aplicación de carácter innovador en la forma de un sistema de despacho de taxis MANET. Una importante aportación novedosa de este trabajo es que utilizamos el realismo en nuestros modelos en todos los niveles, desde la propagación RF en una ciudad, a través de la movilidad de los nodos, hasta la aplicación y en el caso de negocios para el uso de una MANET en lugar de un sistema regulado y centralizado clásica basada en proveedores.

Escenario: Ciudad de taxis.

Uno de los componentes más importantes de las operaciones de una compañía de taxis de la ciudad es su unidad de despacho, que informa a los taxis individuales sobre camionetas de pasajeros, asigna a los pasajeros a los taxis vacíos, y transmite información adicional, como direcciones y noticias sobre el clima o las condiciones del tráfico.Tradicionalmente, las empresas de taxis se han basado en sistemas de despacho basados en radio para estas tareas. Los sistemas de radio tienen problemas de calidad de servicio, hay altos costos asociados con la instalación, funcionamiento y mantenimiento de los mismos, y deben adquirirse licencias de radio.

Sin embargo, la popularización de los teléfonos móviles hoy en día significa que las pequeñas empresas son capaces de entrar en el mercado, apoyándose en las redes públicas de telefonía móvil como a sus sistemas de despacho. Desafortunadamente, este método tiene muchos inconvenientes que incluyen un alto costo por llamada, y la comunicación limitada entre los conductores. Llamadas de teléfono móvil son más difíciles de coordinar y menos eficiente en el tiempo; los despachadores sólo se pueden comunicar con un controlador a la vez y las instrucciones por voz transmitidas también están sujetos a las tasas de error más elevados.

Muchas grandes empresas tienen a su vez actualizar sus propios sistemas para incluir software inteligente con GPS que permite el seguimiento de los taxis y la asignación eficiente de los puestos de trabajo, mejorar la productividad y la utilización de los recursos. Sin embargo, el hardware y el software necesario es costoso y su funcionamiento implica la transferencia de datos inalámbrica a través de redes de telefonía móvil públicas o privadas, que es un costo significativo y recurrente.

En nuestro escenario, un sistema de despacho basado en MANET se utiliza para la comunicación. Cada taxi, está equipado con un dispositivo ad hoc y un servidor central ad hoc se encuentra en la sede de su expedición. Este es un escenario híbrido en el que, aunque el sistema es totalmente una red ad hoc móvil, hay un grado de centralización a la misma, con toda la información disponible procedente de un solo punto, lo que requiere que todos los nodos se conectan a él directamente o indirectamente para recibir trabajos.

Un cliente podría llamar a la sede de expedición de la compañía de taxis. La llamada entonces sería recogido por un gestor de expedición que entraría en los detalles de la oferta en el sistema. Una solicitud automatizada sería enviada a través de la red ad hoc a todos los taxis libres que se encuentren cerca de la vecindad de la solicitud. En el caso de contar con dispositivos especiales habilitados con información sobre la ubicación, el taxi libre más cercano al punto donde se recogerá al cliente se localiza y asigna el trabajo automáticamente, disminuyendo así los tiempos de espera para el cliente y la mejora de las tasas de rotación de la compañía de taxis. El sistema ad hoc se actualiza automáticamente con la información de la condición de camino y los conductores también podrán comunicarse entre sí, potenciando todas las partes interesadas con información valiosa.

Otra implementación de este sistema sería incluso llegar a ser posible que los clientes simplemente puedan pedir un taxi a través de sus propios dispositivos ad hoc donde quiera que estén y la petición se envíaría directamente al taxi más cercano. El taxi iba a la ubicacón del cliente, registra que recogió al cliente y envía la información a través de la red para actualizar otros taxistas y su estado. Con la adición de un punto de acceso en la sede del despacho, los clientes también podrán reservar taxis a través de Internet y la solicitud sería transmitida de inmediato a través de la red ad hoc.

Viabilidad financiera

Los sistemas ad hoc son más robustos que los sistemas centralizados, y el servicio de red no depende de la actuación de los proveedores de servicios ni están sujetos a la infraestructura dañada. El uso de dispositivos especiales descentralizados también puede cambiar la estructura del mercado por lo que es posible ofrecer soluciones a las compañías de taxis, en lugar de obligarlos a firmar con un proveedor de servicios.

Una vez que los clientes se acostumbren a las alternativas a la reserva por teléfono, la carga de trabajo para los despachadores de taxis se reducirá. Sistemas automatizados fiables mejorará la exactitud y velocidad con la que se toman y se aprueban órdenes.

Los sistemas Ad hoc cuestan casi nada para poner en funcionamiento al igual que el mantenimiento del hardware en sí. Además, los móviles y el servicio Push to Talk son sólo los métodos de comunicación de voz, mientras que un sistema ad hoc se basa en las comunicaciones de datos y también proporcionan información sobre la ubicación. El 95% de las reservas se realizan dentro de un radio de 10 millas, lo que hace que las redes ad hoc factible y potencialmente más escalable de servicios autorizados.

Por naturaleza, la cobertura de un sistema ad hoc depende de un número adecuado y la propagación de los nodos en toda la zona de servicio requerida. La movilidad de los nodos plantea el peligro de las brechas de servicios ocasionales cuando no hay taxis están actuando como relevadores dentro de una cierta área, aumentando las preocupaciones de calidad de servicio impredecible. A través de simulaciones basadas en una movilidad real y modelo de propagación, los autores evaluaron diversas métricas de rendimiento del sistema de despacho de radio para determinar el alcance de estos problemas.

Su modelo consistió en una ciudad como una cuadrícula al estilo de Manhattan, con un tamaño de bloque uniforme a través del área de simulación. Todas las calles fueron de doble sentido, con un carril en cada dirección. Un taxi se caracteriza por una velocidad preferida, una aceleración máxima y desaceleración, una variación de la velocidad asociada con la velocidad preferida en el estado estacionario, y una lista de destinos preferidos, es decir, la paradas de taxis. Los taxis son asignados al azar a una de tres velocidades preferidas. Todos los demás parámetros se fijan para ser el mismo en todos los taxis, ya que son de la misma empresa.

La simulación, modela una MANET basada en el estándar IEEE 802.11b, ya que se entiende bien, fácilmente disponible y adaptable a la aplicación bajo consideración. IEEE 802.11b opera en la banda ISM de 2,4 GHz, y una sensibilidad del receptor típico de -80 dBm y una potencia de transmisión de 100 mW (20 dBm) (el límite legal para esta banda). El sistema funciona con los sistemas eléctricos de los taxis en lugar de ser alimentado por baterías, el consumo de energía no es un gran problema.

Las antenas omni-direccionales utilizadas se montan encima de los techos de los taxis, a una altura de aproximadamente 1,5 m, la propagación se puede caracterizar con mayor precisión por un modelo de microcélulas. Los mecanismos de propagación dominantes en tal ambiente se deben a interacciones entre la trayectoria directa y reflejada caminos de los edificios y el suelo, así como la difracción alrededor de los bordes verticales de edificios.

El modelo de propagación que utilizaron supone una pérdida de segundo orden (-20dB/dec) a una distancia de rotura. Para separaciones de antenas mayores que la distancia de rotura, se obtiene el modelo de propagación de tierra plana:

donde Pr es la potencia recibida (W), PT es la potencia de transmisión (W), h1 y h2 son las alturas de antena nodo (m) y d es la separación de antena (m). La distancia punto de corte está dada aproximadamente por:

Por lo tanto, antes del punto de corte se tiene:

y después del punto de corte:

Las operaciones en el sistema se basan en simples intercambios de mensajes. Taxis enviar regularmente las actualizaciones de estado de su envío, y el despacho envía las solicitudes de trabajo y otros datos a los taxis. Los mensajes se envían siempre al salto accesible más cercano con el fin de minimizar la potencia de transmisión y la interferencia. Al ser una red ad hoc, es probable que los taxis entrar y salir de la cobertura, la frecuencia y duración de las cuales dependen del número de puntos de relevo, el rango de transmisión de cada dispositivo, el movimiento de los vehículos, la distancia media entre los coches, etc.

Incluso cuando la cantidad de datos requeridos es grande, a partir de tipos de estudios similares, es posible que en condiciones de conectividad intermitente, un tampón o una unidad a través de proxy (basado en el envío, las paradas de taxis y los propios nodos individuales) podría ser utilizado para acumular datos y solicitudes/respuestas de sus compañeros dentro de la red y remitirá la información a la siguiente oportunidad sin sacrificar significativamente el rendimiento.

Resultados de la simulación.

Basado en el modelo, desarrollaron una simulación estadística para calcular las posiciones en 1 segundo. Los parámetros de control que utilizaron para la simulación son las siguientes: una cuadrícula de Manhattan de 5 x 5 kilómetros, con un tamaño de bloque uniforme de 100 x 100 metros. Un punto central de despacho situado en el centro exacto de la red y que funciona como una parada de taxis. Los resultados varían de acuerdo con el diseño y la distribución de las paradas/destinos de los taxis, sin embargo. Cada ejecución de la simulación duró 3 horas de tiempo de simulación tras un período inicial de calentamiento de 1.000 segundos. Elegieron 3 horas para dar a cada taxi, tiempo suficiente para hacer varios viajes para permitir la distribución de velocidad y destino a converger. Dentro de la red se colocaron un total de 300 taxis habilitados para un sistema ad hoc. Por último, un nodo se considera conectado sólo si es accesible desde el punto de expedición durante tres segundos consecutivos o más, para garantizar el tiempo suficiente para establecimiento de la conexión y la transferencia de datos.

Se define la cobertura de conectividad como el porcentaje de los taxis accesible desde la central de despacho, y el tiempo de interrupción como un periodo continuo de tiempo cuando el taxi no es accesible desde la central de despacho. La siguiente gráfica muestra la cobertura bajo condiciones de control. El porcentaje de vehículos conectados en cualquier punto dado en el tiempo fluctúa, sin embargo siempre hay coches dentro de la cobertura e incluso con sólo 300 nodos, la cobertura media de más de 100 carreras es 107.7 coches o 35,91%. La mediana y la desviación estándar de la media es de 35,84% y 0,6%, respectivamente.

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La simulación sugiere que con 300 nodos en operación, la comunicación en tiempo real no es posible ya que con sólo un tercio de los taxis se puede llegar en cualquier instante dado. Teniendo en cuenta los números absolutos de los taxis contactables, sin embargo, el rendimiento es adecuado para los fines del sistema de despacho, dado el número probable de peticiones en cualquier punto en el tiempo típico. Además, dado el poco tiempo que cada nodo se pasa fuera de la cobertura media (28.47s), todos los taxis están localizables en intervalos razonables. Por el contrario, en ocasiones ciertos nodos serán inalcanzables para un período más largo (por ejemplo, la hora de tomar pasajeros a destinos lejanos).

Para investigar el efecto de la densidad de nodos, variamos el número de nodos 100 a 700. La siguiente gráfica muestra el porcentaje de nodos alcanzables como una función del número de nodos.

Como era de esperar, la cobertura aumenta a medida que más nodos están disponibles para actuar como puntos de relevo. Con 700 nodos, casi el 70% de los taxis son accesibles en cualquier momento. Al aumentar el número de nodos, una compañía de taxis más grande o un número de pequeñas / medianas empresas que utilizan sistemas compatibles para poder lograr una buena cobertura.

Otro parámetro que afecta en gran medida las estadísticas de cobertura es el tiempo de conexión, es decir, el tiempo de la creación de vínculos y transmitir datos entre nodos vecinos. El tiempo de conexión predeterminado es 3 segundos, sin embargo, esto depende de los protocolos exactos y hardware utilizados. Manteniendo constantes los otros parámetros de control, variaron el tiempo de conexión entre 1 y 10 s, consiguiendo los siguientes resultados:

Con un tiempo de conexión de 1s, el 43% de los nodos están dentro de la cobertura, en promedio, en comparación con el 36% para un tiempo de conexión de 3s.

El tráfico lo introdujeron insertando automóviles que se comportaban de la misma como los taxis, excepto que no tienen destinos preferidos y no hacen pausa entre secuencias de movimiento. Por lo tanto, varió el número de coches de 300 (sólo taxis) hasta 30.000 (300 taxis y 29.700 vehículos regulares) para estudiar cómo afecta la congestión de distribución de nodos, la movilidad y la cobertura. Todos los 30.000 vehículos fueron distribuidos de manera uniforme por todo el mapa, la distancia media entre los vehículos fue de 34 m.

Una de las observaciones es que la variación instantánea de la cobertura es más notable con la congestión añadida. Comparando la siguiente gráfica con la gráfica que muestra la cobertura (primer gráfica), el pico a las variaciones de pico son más grandes. Aunque el modo y la cobertura promedio aumenta sólo ligeramente (38,4% vs 36,3%), en un momento dado, ahora es mucho más probable que se conectará un número más alto (más de 140) de los coches.

Conclusiones

Este sistema de radio basado en redes ad hoc tiene gran potencial, por ejemplo aumenta el ingreso por taxi ya que disminuye el tiempo y el costo para ir a recoger al cliente y aparte es más accesible para el cliente al no tener que esperar demasiado tiempo por un taxi, lo cual aumenta su satisfacción. Además el implementar este sistema no es costoso y es escalable en tamaño.

El rendimiento de este sistema depende de factores como el protocolo de enrutamiento que se utilice, pero teniendo en cuenta la información que se transmitirá y el medio ambiente, los protocolos apto para el propósito y optimizaciones podría ser diseñado para adaptarse a la aplicación.

Las principales ventajas que las redes ad hoc tienen sobre estas otras formas de comunicación son de bajo costo y facilidad de despliegue.

Como se pudo observar en la simulación realizada por los autores es que un sistema basado en MANETs podría sufrir de bajo rendimiento debido a la baja densidad de nodos por lo que es importante que el número esperado de nodos en funcionamiento debe ser considerado en el diseño de un sistema. Un sistema basado en MANETs es ideal cuando se tiene una gran cantidad de nodos.

Fuentes.

Elgan Huangm, Wenjun Hu, Jon Crowcroft y Ian Wassell. Towards Commercial Mobile Ad Hoc Network Applications: A Radio Dispatch System. Mayo de 2005. http://128.232.0.20/research/srg/netos/papers/2005-mobihoc-taxi.pdf