Towards a Context-aware Dissemination Mechanism for Vehicular Networks Alexis Yáñez* Sandra Céspedes* Javier Rubio-Loyola† alexis.yanez@ing.uchile.cl scespedes@ing.uchile.cl jrubio@tamps.cinvestav.mx *Departameto de Ingenierı́a Eléctrica, Universidad de Chile, Chile. † Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, México. gran variedad de aplicaciones, que buscan dar solución a problemas que surgen en el contexto del transporte Abstract vehicular [Bi16], que además, son producto de las so- ciedades modernas. En resumen, los grandes proble- In this paper we present the initial steps to- mas asociados al transporte son: alta tasa de mor- wards a model to relate the performance of ve- tandad a causa de accidentes vehiculares, congestión hicular networks, characterized by the packet de tráfico en ciudades altamente pobladas, altas emi- loss rate and the delay, with the number of siones de CO2 [Als12] y peligro frente a condiciones nodes or vehicles participating in the network. climáticas adversas. Las redes vehiculares pueden ayu- This model represents an initial step towards a dar a sopesar estos problemas, sin embargo, su imple- context-aware system intended to modify the mentación posee aún grandes desafı́os. Por lo cual, parameters of dissemination mechanisms or to para que este tipo de tecnologı́as sea un verdadero use the most adequate ones, so that they im- aporte, se necesita que su desempeño sea robusto y prove the performance of the network. Our eficiente, en concordancia a los requerimientos de cada intention is to evaluate this proposal with sev- aplicación. Una de las aplicaciones mas prometedo- eral simulation scenarios where the context- ras tiene relación con la diseminación de mensajes de aware mechanisms will be validated. alerta, para poder notificar de manera rápida y efi- ciente, eventos de importancia sobre el contexto vehic- 1 Introducción ular (por ejemplo: colisiones, condiciones climáticas Según datos de la Organización Mundial de la Salud adversas, mal comportamiento de conductores, etc.), (OMS) los accidentes de tránsito son la causa princi- para que los conductores puedan tomar una decisión pal de muerte en el grupo de 15 a 29 años de edad oportuna para evitar posibles accidentes. Sin embargo [WHO15]. Mas del 90% de las muertes relacionadas estas aplicaciones tienen bajo rendimiento en escenar- con accidentes de tránsito se producen en paı́ses de in- ios en donde existen muchos vehı́culos o nodos, debido gresos medios o bajos, a pesar de que estos cuentan al mecanismo de comunicación de broadcast que satura aproximadamente con el 50% del parque automotriz el canal y que produce problemas con la ventana de mundial. La mitad de las personas que mueren por contención en la capa MAC(Media Access Control ) de esta causa en todo el mundo son “usuarios vulnerables la familia de protocolos IEEE 802.11 [Oli09]. de la vı́a pública”, es decir: peatones, ciclistas y mo- tociclistas. Las redes vehiculares VANETs (Vehicular 2 Hipótesis Ad-Hoc Networks) han surgido como una de las solu- Se buscará probar que: es posible utilizar los datos del ciones más prometedoras para reducir los accidentes de desempeño de la red vehicular ad-hoc, para modelar tránsito y mejorar la eficiencia en sistemas de trans- el escenario o contexto, en el cual se encuentran los porte inteligentes (Inteligent Transportation Systems nodos. De esta forma se puede definir un mecanismo (ITS) [Fig01]). Éstos sistemas pueden soportar una de toma de decisiones para diseminar la información Copyright c by the paper’s authors. Copying permitted for y de esta manera aumentar la tasa de entrega de pa- private and academic purposes. quetes y disminuir el tiempo de retardo. Ası́ se puede In Proceedings SSN2017: III Spring School on Networks, Pucón, aprovechar la misma información del nodo y no se so- Chile, October 19-20, 2017 brecargarı́a el canal de comunicación, pues la infor- mación del desempeño se puede realizar con comuni- siguiente ecuación: TSij = Sij × τ . donde τ es caciones ya existentes. el retraso estimado de un salto, que se refiere a la suma del retraso de propagación y del re- 3 Estado del Arte traso de acceso al medio. Sij es el número asig- nado de “slot” hque puedei ser expresado como: 3.1 Diseminación en VANETs  min(Dij ,R) Sij = NS 1 − R . Donde Di,j es la Los mecanismos mas útiles para nuestro trabajo son distancia relativa entre nodos, R corresponde al aquellos que utilicen el numero de vecinos. El trabajo rango de transmisión y se debe escoger NS en se centrará en redes ad-hoc, en particular en la modal- función de la densidad del tráfico. Por ejem- idad de comunicación vehı́culo a vehı́culo (V2V). Por plo en [Seg15], se menciona que se puede tomar una parte están aquellos que utilizan simple broadcast NS = 5 para un escenario congestionado mien- y además utilizan multi-hop [Ton10]. La gran mayorı́a tras que NS = 3 para otros. Principalmente se ha de los protocolos utilizan la información de la posición escogido este protocolo porque soluciona el prob- de vehı́culos adquirida por dispositivos GPS. Existe lema del “Broadcast Storm”[Tse02], y necesita una propuesta de protocolo basada en la posición rela- únicamente la información sobre la posición del tiva de los nodos, es decir solo hace necesario conocer la nodo receptor, emisor y estimación de la densi- distancia entre nodos. Esto lo hace posible mediante dad para funcionar. la instalación de antenas direccionales que entregan información geográfica, facilitando además el esquema • The traffic adaptive data dissemination de comunicación [Liu12]. Para poder atacar el prob- (TrAD) protocol [Tia16] lema de tener diversos escenarios en la topologı́a de las redes VANETs, se han propuesto esquemas que apun- Éste protocolo utiliza el mecanismos de beaconing tan a un “beaconing” 1 dinámico, es decir en base al de manera adaptativa, de manera que, en base al escenario que se tenga se define la frecuencia, potencia escenario en el cual se presenten los móviles (ur- o canal. De acuerdo a la variables que estos modifican bano o en autopista) el mecanismo escoge entre se pueden clasificar en los siguientes categorı́as: mes- dos formas de supresión de broadcast, que ayu- sage frequency control (MFC), transmit power control dan a mejorar el desempeño de la red de cada (TPC), miscellaneous (Multichanel Switch), Hybrid escenario. Además este mecanismo asigna ciertos (Combinación de las anteriores) [Sha16]. Una prop- roles a los vehı́culos, dependiendo de la posición uesta innovadora tiene un enfoque hacia las mismas en el lugar de interés. Se ha escogido este pro- variables de estado de los nodos, utiliza la variación de tocolo principalmente porque actúa de manera la aceleración para adecuar la forma en que el mecan- dinámica y el estudio se compara con otros mecan- ismo de “beaconing” se ejecuta [Seg15]. En este tra- ismos. bajo se han escogido dos protocolos para implementar- los en una simulación con la cual sea posible realizar una comparación entre el desempeño de cada uno. A 3.2 Sistemas Context-aware continuación se detalla con mayor profundidad los pro- tocolos seleccionados. Los sistemas context-aware se caracterizan por ser con- scientes o sensibles de la situación (o contexto) en Mecanismos de Diseminación Escogidos el cual se desarrollan, tanto en términos fı́sicos, vir- tuales o entorno del usuario [Pos09]. Éstos sistemas • Slotted 1-persistence Broadcasting [Wis07] son capaces de adaptarse, explotando el conocimiento Se trata de un protocolo que da la prioridad de re- adquirido a través de sensores, de otros nodos o de transmisión al nodo más lejano del nodo de trans- infraestructura dispuesta en la ruta. Se han estudi- misión. Para eso, el protocolo utiliza un tiempo de ado diversos artı́culos y surveys [Vah16] donde utilizan espera antes de retransmitir, que varı́a de acuerdo este tipo de sistemas, para aplicaciones especı́ficas en a la distancia entre los nodos. Cuando un nodo VANETs. Dada la naturaleza dinámica de estas re- recibe un paquete, el nodo verifica la identifi- des, estos sistemas son de gran ayuda para identi- cación del paquete y realiza un “re-broadcast” con ficar ciertos escenarios. La estructura de cada mecan- el “time slot” TSij asignado. Se obtiene de la ismo puede variar dependiendo del objetivo para el cual se implementa el sistema. Sin embargo es posi- 1 Corresponde a la transmisión periódica de un paquete ble observar una estructura general para casi todas las (beacon) a todos los vecinos dentro del radio de transmisión. En cierto sentido Beaconing corresponde a un Broadcasting aplicaciones desarrolladas, sus principales etapas son: periódico. Éste mecanismo es ampliamente utilizado en apli- adquirir datos del contexto, procesar los datos del con- caciones de seguridad [Har09]. texto y realizar diseminación inteligente. Figure 1: Esquema de Sistema a Implementar. 4 Metodologı́a Propuesta 5 Conclusiones y Trabajo Futuro Modelo La forma con que se espera medir la densidad vehicu- lar es innovadora y pude ser vista como un mecanismo Se implementará una simulación en el software Om- que utiliza información de comunicaciones ya estableci- net++, correspondiente a una representación de una das, para mejorar el desempeño del esquema de disem- intersección, utilizando redes vehiculares y con los inación. Además puede ser expandida a otros ámbitos mecanismos de diseminación escogidos. Se espera ob- de las redes móviles inalámbricas, que necesiten una servar empı́ricamente el desempeño de la red, anal- medición de la densidad de nodos. Se espera que este izando las métricas de perdidas, colisiones y retardo sistema pueda mejorar el desempeño de los mecanis- en la entrega de paquetes. A partir de este análisis mos de diseminación escogidos para que puedan adap- se espera construir un modelo que pueda relacionar la tarse al escenario. cantidad de vehı́culos con el desempeño de la red. 6 Agradecimientos Mecanismo de Machine Learning Este proyecto ha sido financiado a través del proyecto FONDECYT Iniciación 11140045, Proyecto ”RE- Con la construcción del modelo se entrenará una red TRACT” ELAC 2015/T10-0761 y el Instituto de Sis- neuronal que se implementará en el software Matlab, temas Complejos de Ingenierı́a, ISCI (CONICYT: cuya entrada sea el desempeño de la red y como sal- FB0816). ida el número de nodos en la vecindad del vehı́culo de interés. La producción de la base de datos se realizará References gracias a la simulación implementada en el software Omnet++. [WHO15] World Health Organization Global status report on road safety 2015. Mecanismos de diseminación [Fig01] L. Figueiredo. Towards the develop- ment of intelligent transportation systems Los valores de la salida de la red neuronal, se utilizarán Intelligent Transportation Systems, 1206– para variar los parámetros de los mecanismo de disemi- 1211,IEEE 2001. nación escogidos: [Wis07] Slotted-1-persistan y [Tia16] The traffic adaptive data dissemination (TrAD) pro- [Oli09] R. Oliveira. The influence of broadcast traffic tocol, ya que éstos mecanismos utilizan el numero on ieee 802.11 dcf networks Computer com- de nodos para su funcionamiento. Posteriormente se munications,vol. 32, no 2, p. 439-452, ELSE- analizará su desempeño caracterizado por la tasa de VIER 2009. pérdidas de paquete y retardo, para compararlo con el [Bi16] Y. Bi. Safety Message Broadcast in Vehicular desempeño de los mecanismos sin el sistema context- Networks. Springer 2016. aware. Esto gracias a que el software Omnet++ per- mite hacer cambios sobre una simulación establecida, [Als12] M. Alsabaan. Applying Vehicular Networks en otras palabras, es posible retro-alimentar la simu- for Reduced Vehicle Fuel Consumption and lación con los valores obtenidos de la red neuronal. Un CO2 Emissions. Intelligent Transportation esquema del sistema se puede ver en la figura 1. Systems., InTech, 2012. [Ton10] O. Tonguz. DV-CAST: A distributed vehic- ular broadcast protocol for vehicular ad hoc networks. IEEE Wireless Communications., Vol 17 (2). IEEE 2010. [Liu12] C. Liu. RPB-MD: Providing robust message dissemination for vehicular ad hoc networks. Ad Hoc Networks., Vol 10 (3), 497–511. El- sevier 2012. [Sha16] S. Shah. Adaptive beaconing approaches for vehicular ad hoc networks: a survey. IEEE Systems Journal. IEEE 2016. [Seg15] M. Segata. Jerk Beaconing: A dynamic ap- proach to platooning. Vehicular Networking Conference (VNC). 135–142. IEEE 2015. [Wis07] N. Wisitpongphan. Broadcast storm mitiga- tion techniques in vehicular ad hoc networks. IEEE Wireless Communications. 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