ESTUDIO DE PRESTACIONES DE ESCENARIOS REALISTAS PARA REDES VANET (VEHICULAR AD HOC NETWORKS) CON LOS SIMULADORES VANETMOBISIM Y NS-2

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1 ESTUDIO DE PRESTACIONES DE ESCENARIOS REALISTAS PARA REDES VANET (VEHICULAR AD HOC NETWORKS) CON LOS SIMULADORES VANETMOBISIM Y NS-2 Roger Calzada Cañero Directora: Mónica Aguilar Igartua Co-Director: Ahmad Mohamad Mezher

2 ÍNDICE 2/48 INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

3 INTRODUCCIÓN 3/48 INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

4 INTRODUCCIÓN 4/48 Objetivo: Estudio y evaluación de redes vehiculares o VANET (Vehicular Ad Hoc Network) Evaluación escenarios de redes VANET con Simulador de redes vehiculares Generador de patrones de movilidad realista Estudio de las prestaciones de redes VANET en entornos urbanos para distintos parámetros de configuración

5 INTRODUCCIÓN 5/48 1. Vehículos y contaminación 21: ~7 M vehículos / 25% emisiones de CO2 25: ~2 M vehículos / 35% emisiones de CO2 España: 2ª lugar 471 vehículos / 1p

6 INTRODUCCIÓN 6/48 2. Siniestralidad en las carreteras En España las cifras de víctimas mortales es la más baja de los últimos 5 años

7 INTRODUCCIÓN 7/48 3. Evolución redes inalámbricas

8 INTRODUCCIÓN 8/48 VANET

9 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: 9/48 MANET & VANET INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

10 1/48 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET & VANET Tipos redes móviles Con infraestructura Sin infraestructura (MANET) MANET : MOBILE AD HOC NETWORK

11 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: 11/48 MANET & VANET Características redes MANET Topología dinámica Autonomía Funcionamiento distribuido Escalable Baja capacidad de procesado y memoria

12 12/48 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET & VANET Topología redes VANET (Vehicular Ad hoc Network) On-Board Unit (OBU): Dispositivos situados en los vehículos para comunicarse entre ellos o con las estaciones fijas Road-Side Unit (RSU): Nodos fijos para Ofrecer acceso a otras redes (Internet) Aumentar el rango de cobertura de la red

13 13/48 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET & VANET Aplicaciones redes VANET Safety: Mensajes aviso para advertir eventos o condiciones peligrosas en la carretera Resource Efficiency: Aplicaciones relacionadas con la conducción eficiente Infotainment y Advanced Driver Assitance Services (ADAS): Servicios multimedia y de acceso a Internet

14 14/48 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET & VANET Proyectos europeos para VANETs Entidades y organismos

15 15/48 REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET & VANET Estándar MAC para VANETs: IEEE 82.11p Disminución retardo Mayor alcance Parameter 82.11b 82.11a 82.11p Available data rate Allocated spectrum Mbps Ghz ISM band Mbps Ghz ISM band Mbps Ghz DSRC band Modulation encoding DSSS OFDM OFDM Permite alta movilidad Modulation mode BPSK-QPSK BPSK-QPSK 16QAM-64QAM BPSK-QPSK 16QAM-64QAM Communication range < 15m < 1m < 1m Transmission power for mobile (maximum) 76 mw (US) 2 W EIRP (EU) 1mW 1mW Suitable for mobility Low Low High

16 HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN 16/48 INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

17 HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN 17/48 Evaluación de prestaciones de las VANET, redes y sistemas en general mediante experimentos reales es económicamente NO VIABLE Generador de patrones de movimiento Bonnmotion Citymob MOVE VanetMobiSim SIMULACIÓN Simulador de redes Qualnet NCTUns GloMoSim NS-2

18 HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN 18/48 Politecnico di Torino Proyecto VINT (Berkeley University) Implementado en lenguaje JAVA Implementado en lenguaje C++ Creación escenarios Completo Random Protocolos enrutamiento ad hoc Escenarios reales TIGER/Line Modelos de propagación Definidos por el usuario Compatible con NS2 Variedad de parámetros Comunicaciones cableadas & inalámbricas Extensible Semáforos, carriles, sentidos conducción

19 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE 19/48 SIMULACIÓN INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

20 2/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS a) Manhattan grid b) Urbano aleatorio c) Urbano TIGER/Line (Washington DC) a) Autopista TIGER/Line (Highway 95, Maryland)

21 21/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PARÁMETROS DE SIMULACIÓN (I) Manhattan Urban Random Urban Tiger/Line Highway Tiger/Line Dimensions (m^2) 5x5 5x5 5x5 1x1 Traffic lights Differentiate two flows Differentiate two flows Differentiate two flows Differentiate two flows Lane Configuration 5 streets with 2 lanes (the rest only with 1 lane) 5 streets with 2 lanes (the rest only with 1 lane) 5 streets with 2 lanes (the rest only with 1 lane) Highway with 4 lanes for each flow Speed of nodes (km/h) 5 / 35 / 65 5 / 35 / 65 5 / 35 / Mobility Pattern Activity-based travel Demand Model [64] Random Waypoint Mobility with obstacle Avoidance [44] Random Waypoint Mobility with obstacle Avoidance [44] Random Waypoint Mobility with obstacle Avoidance [44] Driving Model Intelligent Driving Model (IDM) with intersection management and lane changing Intelligent Driving Model (IDM) with intersection management and lane changing Intelligent Driving Model (IDM) with intersection management and lane changing Intelligent Driving Model (IDM) with intersection management and lane changing

22 22/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PARÁMETROS DE SIMULACIÓN (II) Manhattan Urban Random Urban Tiger/Line Highway Tiger/Line Simulation time 25 sec 25 sec 25 sec 25 sec Nodes 3 / 6 / 9 / 12 3 / 6 / 9 / 12 3 / 6 / 9 / 12 3 / 6 / 9 / 12 Traffic Agent CBR / UDP CBR / UDP CBR / UDP CBR / UDP Packet Lenght 512 bytes 512 bytes 512 bytes 512 bytes Data Rate 2 kbps 2 kbps 2 kbps 2 kbps MAC Protocol Routing Protocol IEEE 82.11b / IEEE 82.11p IEEE 82.11b IEEE 82.11b IEEE 82.11b AODV AODV AODV AODV

23 23/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PARÁMETROS DE SIMULACIÓN (III) Propagation Model Transmission Range (m) Sensing Range (m) Number of seeds Confidence Intervals Manhattan Urban Random Urban Tiger/Line TwoRayGround TwoRayGround + obstacles Ricean Rayleigh 1 / 125 / 15 / 175 / / 223 / 267 / 311 / 356 Highway Tiger/Line TwoRayGround TwoRayGround TwoRayGround % 9% 9% 9% ~ 1 simulaciones ~3 horas

24 24/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN MÉTRICAS (I) Paquetes recibidos R eceived Packet R atio Número medio de saltos # received _ packets # send _ packets H ops R j 1 hops # received _ packets j j # received _ packets R = Nº rutas

25 25/48 ESCENARIOS & PARÁMETROS DE SIMULACIÓN MÉTRICAS (II) Retardo extremo-extremo PR E2E delay Data throughput j 1 received _ tim e sent _ tim e # received _ packets PR = Nº paquetes recibidos j j Throughput t # received _ t bits t

26 PROCESO DE SIMULACIÓN 26/48 INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

27 27/48 PROCESO DE SIMULACIÓN

28 PROCESO DE SIMULACIÓN 28/48 VIDEO

29 RESULTADOS DESTACADOS 29/48 INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

30 RESULTADOS DESTACADOS 3/48 Resultados organizados de la siguiente manera: 1) Evaluación escenario Manhattan Nodos: 3 / 6 / 9 / 12 Velocidades: 5km/h / 35km/h / 65km/h Rangos transmisión: 1m / 15m / 2m 2) Evaluación protocolo MAC (Medium Access Control) Nodos: 3 / 6 / 9 / 12 Velocidad: 35km/h / Rango transmisión: 125m 3) Evaluación modelos propagación Nodos: 3 / 6 / 9 / 12 Velocidad: 35km/h / Rango transmisión: 125m 4) Evaluación escenarios alternativos Nodos: 3 / 6 / 9 / 12 Velocidad: 35km/h / Rango transmisión: 125m

31 RESULTADOS DESTACADOS 31/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Received packet ratio 1% 1% 1% 9% 9% 9% 8% 7% 6% 8% 7% 8% 7% 6% 5% 6% 5% 4% 5% 4% 3% 2% 1% 4% 3% 3% 2% 1% % NODES 2% NODES % NODES R = 1m R = 15m R = 2m

32 RESULTADOS DESTACADOS 32/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Número medio de saltos NODES NODES NODES R = 1m R = 15m R = 2m

33 RESULTADOS DESTACADOS 33/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Retardo extremo-extremo medio (ms) NODES NODES NODES R = 1m R = 15m R = 2m

34 RESULTADOS DESTACADOS 34/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Data throughput (Kbps) con N=3 vehículos Time (sec) Time (sec) Time (sec) R = 1m R = 15m R = 2m

35 RESULTADOS DESTACADOS 35/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Data throughput (Kbps) con N=6 vehículos Time (sec) Time (sec) Time (sec) R = 1m R = 15m R = 2m

36 RESULTADOS DESTACADOS 36/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Data throughput (Kbps) con N=9 vehículos Time (sec) Time (sec) Time (sec) R = 1m R = 15m R = 2m

37 RESULTADOS DESTACADOS 37/48 1) EVALUACIÓN ESCENARIO MANHATTAN Data throughput (Kbps) con N=12 vehículos Time (sec) Time (sec) Time (sec) R = 1m R = 15m R = 2m

38 RESULTADOS DESTACADOS 38/48 2) EVALUACIÓN PROTOCOLOS MAC Ratio paq. recibidos + Data throughput (Kbps) 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % NODES Time (sec) Ratio paquetes recibidos Data throughput (N=12)

39 RESULTADOS DESTACADOS 39/48 2) EVALUACIÓN PROTOCOLOS MAC Retardo e-e (ms) + Num. Medio saltos NODES Retardo extremo-extremo NODES Número medio saltos

40 RESULTADOS DESTACADOS 4/48 3) EVALUACIÓN MODELOS PROPAGACIÓN Ratio paq. recibidos + Data throughput (Kbps) 7% 6% 5% 4% 3% % 4 1% 2 % NODES Ratio paquetes recibidos Time (sec) Data throughput (N=12)

41 RESULTADOS DESTACADOS 41/48 3) EVALUACIÓN MODELOS PROPAGACIÓN Retardo e-e (ms) + Num. Medio saltos NODES NODES Retardo extremo-extremo Número medio saltos

42 RESULTADOS DESTACADOS 42/48 4) EVALUACIÓN ESCENARIOS ALTERNATIVOS Ratio paq. recibidos + Data throughput (Kbps) 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % NODES Ratio paquetes recibidos Time (sec) Data throughput (N=12)

43 RESULTADOS DESTACADOS 43/48 4) EVALUACIÓN ESCENARIOS ALTERNATIVOS Retardo e-e (ms) + Num. Medio saltos NODES Retardo extremo-extremo NODES Número medio saltos

44 CONCLUSIONES & TRABAJOS 44/48 FUTUROS INTRODUCCIÓN REDES INALÁMBRICAS MÓVILES: MANET Y VANET HERRAMIENTAS DE SIMULACIÓN ESCENARIOS Y PARÁMETROS DE SIMULACIÓN PROCESO DE SIMULACIÓN RESULTADOS DESTACADOS CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

45 CONCLUSIONES & TRABAJOS 45/48 FUTUROS CONCLUSIONES (I) La ratio de paquetes recibidos y el data throughput mejoran aumentando el número de nodos Además, también mejoran con un aumento de rango de transmisión de hasta 15m. Para rangos superiores, tanto el ratio de paquetes recibidos como el data throughput disminuyen ligeramente por el gran número de colisiones de paquetes Con velocidades altas obtenemos peores valores tanto de ratio de paquetes recibidos como de data throughput en comparación con velocidades bajas, ya que las rutas se rompen con más frecuencia El retardo e2e y el número de saltos crecen con el número de nodos. Sin embargo, ambas métricas son menores cuando la velocidad y el rango disminuyen. El estándar IEEE 82.11p ofrece mejores prestaciones en términos de ratio de paquetes recibidos y data throughput.

46 RESULTADOS DESTACADOS 46/48 CONCLUSIONES (II) Con el uso de IEEE 82.11p además también observamos retardos y número de saltos menores, siempre y cuando el número de vehículos no sea muy pequeño El modelo Two-Ray Ground original es el que ofrece mejores prestaciones en términos de ratio paquetes recibidos, data throughput, y retardo e2e seguido del modelo Two-Ray Ground con obstáculos. Los modelos Rician y Rayleigh son los que ofrecen peores prestaciones. Sin embargo, los modelos Rician y Two-Ray Ground con obstáculos son los más realistas y por tanto más adecuados para la simulación de redes VANET, ya que el modelo Rayleigh es válido para condiciones de non-los y el modelos Two- Ray Ground original no tiene en cuenta los efectos de reflexión y atenuación de los edificios y obstáculos.

47 CONCLUSIONES & TRABAJOS 47/48 FUTUROS FUTUROS TRABAJOS AODV es un protocolo para MANETs evaluación de protocolos más adecuados para VANETs Implementar red más compleja, combinando comunicaciones V2V además de V2I Los resultados y escenarios implementados como base para futuros estudiantes de doctorado Elaboración de un artículo con los resultados más relevantes para enviar al congreso JITEL en 212

48 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN Roger Calzada Cañero Directora: Mónica Aguilar Igartua Co-Director: Ahmad Mohamad Mezher