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viii       el caso de que la red experimente con-    raci´n y trazabilidad de datos, extracci´n de                        ...
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Contents1 OBJETIVOS Y MOTIVACION          ´                                                                               ...
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CONTENTS                                                                                                              xv  ...
xvi                                                                                 CONTENTS               Paso 1. Conexi´...
Lista de Figuras 2.1    Problema del terminal escondido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1    Pila de ...
xviii                                                                                       LISTA DE FIGURAS  6.9    MOVE ...
LISTA DE FIGURAS                                                                                                          ...
xx   LISTA DE FIGURAS
Lista de Tablas 3.1    Caracter´                ısticas de las frecuencias 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...
xxii   LISTA DE TABLAS
Chapter 1                    ´OBJETIVOS Y MOTIVACION1.1     Introducci´n                  o   Hace algo mas de 200 a˜os, e...
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SACAR - Sistema de Alertas en Carretera

  1. 1. ´ UNIVERSIDAD DE ALCALA Escuela T´cnica Superior de Ingenier´ Inform´tica e ıa a INGENIER´ EN INFORMATICA IA ´ Trabajo Fin de Carrera SACAR Sistema de Alertas en CARretera Autor: Eduardo Mar´ Izquierdo ın Director: Enrique de la Hoz de la HozTribunal:Presidente:Vocal 1º:Vocal 2º: ´CALIFICACION: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . FECHA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  2. 2. 2
  3. 3. ´ UNIVERSIDAD DE ALCALAESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIER´ INFORMATICA ´ IA ´ INGENIER´ EN INFORMATICA IA ´ PROYECTO FIN DE CARRERA SACAR Sistema de Alertas en CARretera Autor: EDUARDO MAR´ IZQUIERDO IN Tutor: D. ENRIQUE DE LA HOZ DE LA HOZ SEPTIEMBRE DE 2012
  4. 4. Sin embargo, hasta que ponemos a prueba lo incon-trolable que llevamos dentro dejamos que la prudenciaestablezca los l´ımites, sabemos poco acerca de lo quenos impulsa a atravesar glaciares y torrentes y subir apeligrosas alturas. JOHN MUIR
  5. 5. AgradecimientosMe gustar´ agradecer, en primer lugar, a mi tutor Enrique de la Hoz de la Hoz, el inter´s ıa erecibido de su parte en este proyecto, por su apoyo y paciencia mostrada a lo largo deldesarrollo del mismo. En segundo lugar, a mis amigos, gracias por estar ah´ Finalmente, ı.y de forma muy especial, a Marta, por haberme acompa˜ado en el camino, y a mi familia, nmis hermanas y mis padres, que sin su apoyo, confianza y educaci´n esta meta habr´ o ıaestado muy muy lejos.
  6. 6. v SACAR - Sistema de Alertas en Carretera Eduardo Mar´ Izquierdo ın 09 de septiembre de 2012 802.15.4, zigBee, xBee, APAL, Arduino, Omnet++, V2V, ResumenProyecto de desarrollo de un Sistema de Alertas en Carretera implementado sobre micro-controladores opensource - openhardware Arduino capaz de transmitir mensajes siguiendola filosof´ vehicle to vehicle bajo el protocolo de comunicaci´n 802.15.4 (ZigBee). Pre- ıa ovia a la implementaci´n, se realiza una fase de simulaci´n, creando diferentes escenarios o oy situaciones relacionados con el tr´fico vehicular, y una fase de recogida de datos que apermiten evaluar el algoritmo de control de broadcast storming probabil´ ıstico (APAL -Adaptive Probability Alert Protocol ) que usamos, todo ello en plataformas de simulaci´n ode redes de comunicaci´n Omnet++ y de redes de tr´fico vehicular SUMO. o a AbstractRoad warning system development project implemented using mocrocontrollers opensource- openhardware. This system is capable to transmit messages under vehicle to vehicle phi-losophy. The system uses the 802.15.4 (zigBee) communication protocol. Previous to theimplementation work, several simulations were made to create different scenarios relatedwith vehicular traffic. As a result of the diferent situations studied, data samples werecollected to evaluate the diffusion APAL algorithm (Adaptive Probability Alert Protocol )used in the communication networks (Omnet++) and vehicular traffic (SUMO) simula-tions frameworks.Introducci´n o comunicaci´n inal´mbrica ”vehicle to vehi- o a cle” basado en el protocolo 802.15.4, m´s a SACAR, Sistema de alertas en carretera comunmente conocida como tecnolog´ in- ıase presenta como un un proyecto de Inge- al´mbrica zigBee. Tras acercarnos al tipo anier´ que encierra un proceso de investi- ıa de tecnolog´ que usaremos en nuestro sis- ıagaci´n y desarrollo. Por un lado, se real- o tema de alertas, y previo al paso de desar-iza un proceso de investigaci´n en el cual o rollo, continuaremos en el proceso de inves-se presenta la problem´tica a resolver, esto a tigaci´n desplegando y adaptando una serie oes, la falta de intercomunicaci´n que existe o de herramientas de simulaci´n que nos per- oen la actualidad en los veh´ ıculos rodados, mitan llevar a cabo aproximaciones de al-y la consecuente falta de aprovechamiento goritmos de distribuci´n de la informaci´n o ode informaci´n util, valiosa para evitar ac- o ´ sobre el protocolo zigBee en diferentes en-cidentes o facilitar el paso de diferente tipos tornos que pongan de manifiesto el porqu´ ede veh´ ıculos. Una vez definido el prob- de su empleo en el sistema f´ ısico que final-lema a resolver establecemos la forma en la mente desarrollemos. Para poder realizarque lo resolveremos, realizando una primera ese tipo de argumentaciones debemos reali-investigaci´n sobre el tipo de tecnolog´ o ıa zar una serie de tomas de datos que facilitendisponible en la actualidad y qu´ alterna- e la comprensi´n y la elecci´n de uno u otro al- o otiva seleccionamos y por qu´. As´ en nue- e ı, goritmo. Veremos, por tanto, c´mo las sim- ostro caso, y por las razones que m´s ade- a ulaciones nos ayudan a comprobar que difu-lante detallaremos, seleccionamos un tipo de siones de alertas sin control son problem´ti- a
  7. 7. vicas y no reguladas a alto nivel por el proto- y cuyos avances apuntan a que ser´ el sis- acolo zigBee, sino que debemos establecer un tema de comunicaci´n entre veh´ o ıculos est´n- amecanismo a nivel de aplicaci´n que lleve o dar del futuro.a cabo dicha gesti´n. As´ veremos c´mo o ı, o No obstante, no est´ de m´s aproxi- a ase comporta un tipo de algoritmo llamado marnos por otras v´ y que en el prop´sito ıas, oAPAL (Adaptive Probability Alert Protocol ) de este proyecto se centra en hacerlo me-y c´mo favorece la difusi´n de mensajes evi- o o diante el empleo de recursos abiertos ytando el colapso del sistema por problemas baratos. Y, para poder decantarnos porasociados al broadcast (broadcast storming). una alternativa, debemos contemplar las op- Como segunda fase en la elaboraci´n de o ciones disponibles actualmente:este proyecto, y en base a las conclusionesobtenidas en la primera parte del proyecto, ˆ IEEE 802.11 - WiFi La creaci´n deollevamos a cabo un desarrollo ligero del sis- los est´ndares que han dado lugar al atema de alertas utilizando la tecnolog´ de- ıa Wi-Fi, bajo el nombre IEEE 802.11scrita anteriormente, esto es, difusi´n de o [13], es una tarea llevada a cabo poralertas mediante el empleo de tecnolog´ in- ıa el International Electrical and Elec-al´mbrica 802.15.4 y l´gica de gesti´n con el a o o tronic Engineers (Asociaci´n Interna- ouso del algoritmo APAL, todo ello montado cional de Ingenieros Electr´nicos y de osobre sistemas embebidos, de bajo coste, Telecomunicaciones), conocido por lasfamosos por su alta flexibilidad tanto en tec- siglas IEEE.nolog´ soportadas como en flexibilidad en ıas De manera purista vale decir que eldesarrollo de l´gica de control. Hablamos o acr´nimo Wi-Fi se utiliza para iden- ode microcontroladores Atmega en su versi´n o tificar los productos que incorporancomercial m´s famosa, la serie Arduino. a cualquier variaci´n de la tecnolog´ o ıa inal´mbrica de los est´ndares IEEE a a 802.11, que permiten la creaci´n de re- oEstado del arte des de ´rea local sin hilos conocidas a como WLAN, y que son plenamente Hablar sobre la situaci´n actual en lo ref- o compatibles con los de cualquier otroerente a tecnolog´ de comunicaci´n en el ıas o fabricante que utilice estos est´ndares. a´mbito del transporte rodado es hablar dea Las caracter´ısticas generales de fun-redes VANET. cionamiento de una red Wi-Fi son las Las redes VANET (Vehicular Ad-Hoc mismas que las de una red cableada.Networks) son un tipo de infraestructura La particularidad es que el Wi-Fi uti-de comunicaci´n basada en las redes ad- o liza el espacio como medio de trans-hoc para dispositivos m´viles (Mobile Ad- o misi´n. oHoc Network (MANET)), y destinadas aluso en veh´ ıculos. Este tipo de tecnolog´ ıa Los componentes b´sicos de una red apermite considerar cada veh´ ıculo como un Wi-Fi son:nodo activo en la red que, de forma con- – El punto de acceso (AP): es lajunta con sus adyacentes, interconecta no- uni´n entre las redes cableadas odos m´s lejanos, levantando una infraestruc- a y la red WiFi, o entre diversastura din´mica de comunicaci´n relativa- a o zonas cubiertas por redes Wi-Fi,mente grande sin apoyo de infraestructura que act´a entonces como repeti- ude red fija. dor de la se˜al entre estas zonas n Para la implantaci´n de redes VANET o (celdas).se dispone de diferentes protocolos de co-municaci´n que podr´ ser utilizadas para o ıan – Una o m´s antenas conectadas al atal prop´sito. No obstante, para una im- o punto de acceso.plantaci´n real, estandarizada y que no com- o ´ – Un terminal Wi-Fi. Este puedeprometa aspectos relacionados con la seguri- tener forma de dispositivo ex-dad o fiablidad de la misma se propone el terno Wi-Fi, que se instala enprotocolo 802.11p, base del est´ndar DSRC a el PC del usuario, o bien puede
  8. 8. vii encontrarse ya integrado, como ciones separadas si la potencia de sucede habitualmente con los transmisi´n lo permite. o ordenadores port´tiles. a Adi- cionalmente se pueden encontrar ˆ UWB Ultra Wide Band es un es- otros terminales con capacidad t´ndar basado en 802.15.3 que fun- a de comunicaci´n, como agendas o ciona emitiendo a muy baja potencia electr´nicas (PDA) y tel´fonos o e en un espectro enorme. Su alcance m´viles, que disponen de acce- o es muy limitado (<10m) pero propor- sorios (internos o externos) para ciona tasas de transferencia muy el- conectarse a redes Wi-Fi. evadas llegando a los 480 Mbps. Su consumo de energ´ es muy reducido. ıaˆ 802.11p Tambi´n conocida como e Wireless Access for the Vehicular En- ˆ ZigBee - 802.15.4 ZigBee es el nom- vironment (WAVE), est´ en proceso a bre de la especificaci´n de un con- o de estandarizaci´n y ser´ la encar- o a junto de protocolos de alto nivel de gada en un futuro de soportar las comunicaci´n inal´mbrica para su uti- o a comunicaciones vehiculares. WAVE lizaci´n con radiodifusi´n digital de o o es una evoluci´n del est´ndar IEEE o a bajo consumo, basada en el est´ndar a 802.11a con modificaciones a nivel IEEE 802.15.4 de redes inal´mbricas a f´ ısico y MAC para mejorar su com- de ´rea personal (Wireless Personal a portamiento en el entorno vehicular y Area Network, WPAN). Su objetivo dar soporte a sistemas de transporte son las aplicaciones que requieren co- inteligente (Itelligent Transportation municaciones seguras con baja tasa de Systems (ITS)). Asimismo, WAVE es env´ de datos y maximizaci´n de la ıo o la base sobre la que se desarrolla el vida util de sus bater´ ´ ıas. DSRC (Dedicated Short Range Com- munications), otro proyecto de es- Debido a las caracter´ısticas que ofrece tandarizaci´n impulsado por el minis- o ZigBee, en cuanto a coste y facilidad de inte- terio de transporte de EE UU y por un graci´n con plataformas de desarrollo, abier- o n´mero importante de fabricantes de u tas y baratas, elegiremos dicho protocolo. la industria del autom´vil, cuyo obje- o tivo es crear una red nacional de comu- nicaciones vehiculares. El prop´sito el o zigBee - 802.15.4 proyecto es definir un est´ndar para a ZigBee/802.15.4 es una tecnolog´ in- ıa las comunicaciones V2V y las comu- al´mbrica de bajo consumo, baja tasa de a nicaciones con la infraestructura vial transmisi´n y coste reducido, que se engloba o (V2I) que se puede instalar en sem´- a dentro del grupo de las tecnolog´ WPAN ıas foros o paneles de informaci´n, por o (Wireless Personal Area Network). ejemplo. Una de las ventajas que ofrece es la flex-ˆ Bluetooth Se denomina Bluetooth ibilidad para la construcci´n de diferentes o al protocolo de comunicaciones dis- topolog´ a partir de una serie de roles que ıas e˜ado especialmente para dispositivos n puede representar cada uno de los compo- de bajo consumo, con una cobertura nentes de la red. baja y basados en transceptores de As´ hablamos de elemento: ı, bajo costo. ˆ Coordinador. Este dispositivo ini- Gracias a este protocolo, los disposi- cializa y controla la red. Tambi´n se e tivos que lo implementan pueden co- encarga de gestionar las tareas de se- municarse entre ellos cuando se en- guridad. Para poder formar una red cuentran dentro de su alcance. Las ZigBee debe existir un coordinador. comunicaciones se realizan por ra- diofrecuencia de forma que los dispos- ˆ Router. Estos dispositivos son los en- itivos no tienen que estar alineados cargados de extender la cobertura de y pueden, incluso, estar en habita- la red, gestionando nuevos caminos en
  9. 9. viii el caso de que la red experimente con- raci´n y trazabilidad de datos, extracci´n de o o gesti´n o se produzca la ca´ de al- o ıda estad´ ısticas y flexibilidad a la hora de adap- g´n nodo. Pueden conectarse directa- u tar cualquier elemento que en ella exista a mente al coordinador o a otros routers. nuestras necesidades. Gestionan dispositivos hijo. Por otro lado, estos dispositivos ir´n a montados en veh´ ıculos que podr´n moverse a ˆ Dispositivo final. Este tipo de dis- con total libertad a lo largo de un es- positivo puede enviar y recibir datos cenario. Se desprende inmediatamente la pero no realizar tareas de encami- necesidad de contar con una herramienta namiento. Deben estar conectados a de simulaci´n de tr´fico de veh´ o a ıculos que un router o al coordinador y no ad- ofrezca, adem´s, integraci´n o soporte para a o miten dispositivos hijo. la herramienta de simulaci´n que hemos o Que derivan en tres tipos de topolog´ ıas: mencionado anteriormente. Adem´s, de laaestrella, malla y ´rbol (figura 3.2). Una a misma manera, deber´ tratarse de una apli- ıared se caracteriza por su identificador PAN caci´n flexible en configuraci´n de escenar- o o(PAN ID), que la distingue de otras posibles ios, facilidad en creaci´n de flujos de tr´fico o aredes funcionando en la misma zona. vehicular y comportamiento aleatorio de ve- h´ıculos. Adem´s, el est´ndar soporta un tipo a a As´ para la simulaci´n de protocolos ı, ode topolog´ en el cual no es necesario ıa de comunicaci´n, haremos uso de la her- oning´n elemento coordinador siempre que se u ramienta de simulaci´n Omnet++. El dis- oest´ transmitiendo en modo difusi´n. Esta e o e˜o de OMNeT++ se basa en los siguientes ntopolog´ que permite hacer crecer una red ıa, puntos:de forma din´mica y sin la limitaci´n de que a o ˆ Permitir simulaciones a gran escala,deba haber un elemento coordinador ser´ la a mediante modelos jer´rquicos constru- aelegida para nuestro prop´sito. o idos con componentes reutilizables. ˆ Una interfaz gr´fica orientada a la aSimulaci´n en Omnet++ - o depuraci´n y verificaci´n de los mod- o o elos implementados.SUMO ˆ Estructura modular que permite ex- El desarrollo de un sistema de alertas tensibilidad y personalizaci´n, as´ o ıcomo el aqu´ descrito implica la existencia de ı como inclusi´n de componentes en oun n´mero de dispositivos lo suficientemente u aplicaciones m´s grandes de planifi- agrande para que puedan llevarse a cabo las caci´n de red. opruebas necesarias para comprobar que elsistema funciona correctamente. Una de las ˆ Interfaces de datos abiertas,opciones ser´ realizar dichas pruebas en un ıa generando ficheros de definici´n y de oescenario real, con dispositivos reales. resultados f´cilmente interpretables y a Dado que ese escenario se vuelve com- procesables por herramientas gen´ri- eplejo, extenso y caro, es necesario plantear cas.una serie de simulaciones, que nos permiten ˆ Proveer un entorno de desarrollo inte-aproximar resultados a los que pudieran de- grado que facilita el desarrollo de mod-volverse de una ejecuci´n real. o elos y el an´lisis de resultados. a Por un lado, dado que trabajaremoscon dispositivos de comunicaci´n inal´m- o a La base del entorno de simulaci´n es el obrica, que tienen soporte para un protocolo n´cleo o kernel. En ´ste se encuentran pro- u eest´ndar de comunicaci´n como es IEEE a o gramadas las funciones generales que per-802.15.4, necesitaremos una herramienta de miten la extensi´n modular del programa osimulaci´n capaz de ofrecer la arquitectura o para la simulaci´n en ´reas espec´ o a ıficas me-necesaria para crear redes de comunicaci´n,o diante herencia e interfaces en C++. Dentrocon soporte para diferentes protocolos de co- de cada extensi´n o framework espec´ o ıfico semunicaci´n, que ofrezca utilidades de depu- o pueden definir los modelos de simulaci´n. o
  10. 10. ix La definici´n de modelos en OMNeT se o donde los paquetes RREQ (route request -lleva a cabo de forma modular jer´rquica. a petici´n de ruta) compiten con los paque- oExiste un m´dulo principal, por ejemplo el o tes de datos, nos encontramos con que, enm´dulo de red, que engloba todos los ele- o el nivel de aplicaci´n, un paquete puede ser omentos y relaciones existentes entre ellos. reenviado m´ltiples veces si no existe un uDebajo de este nivel, est´n los m´dulos com- a o control expl´ ıcito que limite el n´mero de in- upuestos, que integran sistemas y elementos tentos.f´ ısicos de la red, como pueden ser routers, Es necesario, por tanto, aplicar algorit-servidores Web, hosts de usuarios finales, mos de difusi´n que minimicen estos proble- oenlaces inal´mbricos, etc. Y finalmente, en a mas, tomando como par´metros de control ael nivel m´s bajo de la jerarqu´ se en- a ıa, valores relativos a la posici´n del emisor y o ´cuentran los m´dulos simples. Estos imple- o remitentes, ventanas de reenv´ probabil´ ıo, ıs-mentan funciones concretas, como interfaces ticos, . . .de red (punto-a-punto, Ethernet. . . ), proto- Si bien, en nuestro caso, pudi´ramos ecolos espec´ ıficos (TCP, FTP. . . ), o canales haber optado por un par´metro de con- apara la conexi´n entre m´dulos (enlaces de o o trol basado en la geolocalizaci´n, preferimos ofibra, enlaces inal´mbricos. . . ). Los m´- a o suponer que no todos los intervinientes en eldulos simples son la base de los modelos sistema tendr´ un dispositivo GPS. ıandefinidos en OMNeT++, y est´n implemen- a Bajo este supuesto, optamos por un al-tados en lenguaje C++. goritmo probabil´ ıstico, que toma diferentes Gracias a esta jerarqu´ o modular- ıa valores para regular el reenv´ de paquetes. ıoizaci´n podremos construir nuestro sistema, o Dicho algoritmo es APAL (Adaptative Prob-basado en el protocolo 802.15.4, mediante el ability Alert Protocol [63]).empleo de un paquete que contiene su defini- APAL se presenta para resolver difer-ci´n (proyecto mixim-sommer ) y adaptar la o entes problemas en la difusi´n de alertas ocapa de aplicaci´n a las necesidades concre- o en caso de accidente en redes VANET. Sitas del proyecto. Una de esas adaptaciones un mensaje de alerta es difundido de formaser´ la inclusi´n de un algoritmo de con- a o indiscriminada, en poco tiempo nos encon-trol de broadcast storming que detallaremos traremos ante el problema de la tormentaa continuaci´n.o de difusi´n (broadcast storm). Por contra, o si realizamos una restricci´n en la retrans- o misi´n de dicha informaci´n, podemos en- o oAlgoritmo APAL contrarnos ante una muerte temprana de los paquetes de alerta. Este problema crece Se define broadcast radiation como una si tenemos en cuenta que, en situacionesacumulaci´n de tr´fico broadcast y multicast o a reales, las inclemencias meteorol´gicas y las oen una red inform´tica. Si dicha acumu- a diferentes velocidades que comportan los ve-laci´n alcanza niveles extremos de difusi´n, o o h´ıculos, empobrecen la calidad de la co-constituyen lo que se conoce como broad- municaci´n. Muchos protocolos existentes ocast storm. El mayor problema que se aso- para el control de broadcast storm asumencia a este suceso es la cantidad de recursos la disponibilidad de dispositivos GPS en losque son consumidos en la red, llegando a veh´ıculos para poder operar, no obstante,alcanzar niveles de colapso que impiden la dicha premisa es arriesgada, pues no secorrecta entrega de paquetes de datos (dene- tienen en cuenta las altas latencias o impre-gaci´n de servicio). o cisi´n en el c´lculo de las posiciones de cada o a En el contexto de las redes ad-hoc veh´ıculo, que dificultan un control fino sobre(MANET), y m´s concretamente en las a este problema.redes VANET, ante un medio de trans- Por ello, el protocolo APAL no necesitamisi´n inal´mbrico, nos encontramos con o a informaci´n sobre la localicaci´n espacial del o ouna topolog´ de red en la cual, una difusi´n ıa o veh´ıculo. La probabilidad con la que unde paquetes de datos se vuelve impredecible mensaje de alerta se reenv´ es continua- ıay de dif´ seguimiento y control. ıcil mente adaptado en funci´n del grado de ex- o Aparte de la problem´tica existente, a istencia de broadcast problem, sin dejar de
  11. 11. xlado, por otro lado, el problema de p´rdida e y reenv´ a lo largo de un n´mero ıo ude mensajes por la aparici´n de ”veh´ o ıculos determinado de intervalos de tiempociegos” no alcanzables. (v delta[]). As´ ante un accidente o situaci´n de ı, o ˆ v duplicatenumber[]: n´mero de uemergencia, el veh´ıculo comienza a difundir mensajes repetidos que se detectanun mensaje de alerta. Los veh´ ıculos que a lo largo del tiempo de vida dese aproximan al accidente recibir´n dicho a la operaci´n (el tiempo de vida - omensaje. Todos los veh´ ıculos que lo hayan v countime - engloba varios intervalosrecibido, de forma adaptativa, decidir´n si a de tiempo - v delta - ).deben o no reenviarlo, dependiendo de di-versos factores. ˆ v limite intervalo[]: indica el punto A continuaci´n detallamos el pseu- o temporal en el que expira el inter-doc´digo del algoritmo APAL: o valo de tiempo. As´ para un in- ı, stante i = simTime(), v delta[] expiraWhen Receive Alert message IF(Receive alert message for First time) en v limite intervalo[] = simTime() + ∆i Random between 1 - 100ms v delta[]. Pi Random probability between 0.7 - 0.9 END IF ˆ v beta[]: vector que contiene, para CountTime = 0 cada mensaje, un l´ ımite m´ximo de a DuplicateNumber = 0 tiempo de vida de operaci´n. Estable- o WHILE( CountT ime < β&&DuplicateN umber < δ) cido, por defecto, a cinco segundos. WHILE(∆τi is not expired) Listen for duplicate alert message ˆ v sigma[]: vector que contiene, para Count = number of received duplicate cada mensaje, un l´ ımite m´ximo de a alert message mensajes repetidos en el tiempo de END WHILE vida de operaci´n. Establecido, por o IF(received duplicate alert message) DuplicateN umber = DuplicateN umber+ defecto, a cinco mensajes. Count Una vez definido el protocolo de comuni- Pi+1 = Pi /DuplicateN umber ∆τi+1 = ∆τi ∗ DuplicateN umber caci´n a utilizar, establecida la herramienta o ELSE de simulaci´n de redes y de tr´fico vehicu- o a Rebroadcast with Pi lar, y seleccionado el algoritmo de control de END IF broadcast storm, se realizan las simulaciones CountT ime = CountT ime + ∆τiEND WHILE pertinentes. Estas simulaciones, realiza- das sobre una serie de escenarios, que van A continuaci´n se detalla el significado o desde simples v´ rectas unidireccionales, ıasde cada uno de estos vectores: hasta completos escenarios reales, pasando por figuras geom´tricas bien definidas (red e ˆ v delta[]: vector que contiene el in- manhattan), obtendremos una serie de re- tervalo de escucha en un determinado sultados en los que se comparan latencias instante para un determinado men- en el env´ de paquetes desde su origen ıo saje. hasta los diferentes componentes de la red, n´mero de veh´ u ıculos que reciben o que no ˆ v pi[]: vector que contiene la proba- reciben los mensajes de alerta respecto al bilidad de reenv´ asociada a un deter- ıo total (bind vehicles), y en diferentes situa- minado mensaje. ciones (movimiento, obst´culos, con o sin al- a ˆ v count[]: n´mero de mensajes u goritmo APAL...). repetidos que se detectan a lo largo de un determinado instante de escucha Implementaci´n o en Ar- (v delta[]), para un determinado men- saje. duino ˆ v countime[]: tiempo de vida en el Arduino es una plataforma de hardware cual se realizar´n, para un determi- libre, basada en una placa con un micro- a nado nodo, las operaciones de escucha controlador y un entorno de desarrollo, dis-
  12. 12. xie˜ada para facilitar el uso de la electr´nica Hardware - Open Software Arduino. n oen proyectos multidisciplinares (figura 9.1). Si bien el objetivo inicial del proyecto pasaba por un sistema funcional completo, El hardware consiste en una placa con un diferentes limitaciones han hecho nece-microcontrolador Atmel AVR y puertos de sario diferentes adaptaciones que se reflejan,entrada/salida. Los microcontroladores m´s tanto en limitaciones funcionales (forma de ausados son el Atmega168, Atmega328, At- presentaci´n de las alertas, tipo de alertas y omega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo datos a registrar, ...) como limitaciones rela-coste que permiten el desarrollo de m´lti- tivas a la capacidad de c´mputo y eficiencia u oples dise˜os. Por otro lado el software con- del mismo (n´mero de alertas a procesar en n usiste en un entorno de desarrollo que imple- paralelo, precisi´n y filtrado de alertas, ...). omenta el lenguaje de programaci´n Process- o No obstante, dada la evoluci´n y mejora oing/Wiring y el cargador de arranque (boot constante que sufren las plataformas deloader ) que corre en la placa. microcontrol como Arduino, es interesante Sobre esta plataforma de desarrollo, seguir prestando atenci´n a las posibles solu- oinstalaremos un m´dulo de comunicaci´n o o ciones que podamos desarrollar de cara abasado en el protocolo de comunicaci´n de- o mejorar este tipo de sistemas, y quiz´ po- ascrito en este proyecto, esto es, el est´ndar a damos contar, en un tiempo relativamente802.15.4 en su versi´n comercial xBee. o corto, de dispositivos con mayor capacidad que nos permitan mejorar dichas soluciones Este m´dulo nos permitir´ realizar la o a y solventar las limitaciones comentadas.comunicaci´n entre los diferentes Arduinos outilizando el env´ de datos como si de un ıo De esta forma, y como prototipo simplifi-puerto serie se tratase. As´ la definici´n de ı, o cado del sistema SACAR, podemos observarlos paquetes de datos y su gesti´n debemos o en la figura 9.8 el montaje realizado sobre elhacerla nosotros. Los m´dulos XBee unica- o ´ par de plataformas f´ ısicas Arduino.mente nos ofrecen el mecanismo de comu-nicaci´n, de una forma transparente, entre o As´ se presenta un par de dispositivos ıellos. Arduino (A y B), que comparten la misma Finalmente, para completar la funcional- implementaci´n del sistema APAL, adap- oidad del sistema, montaremos un m´dulo o tado con ligeras variantes.GPS que nos permita conocer la posici´n ex- o El dispositivo A realizar´ las funciones aacta de cada dispositivo para poder avisar a de veh´ ıculo especial, en este caso veh´ıculolos dem´s veh´ a ıculos sobre la distancia a la de emergencia, que debe informar al resto deque se encuentra la alerta. veh´ıculos sobre su posici´n y tipo de alerta o Para ello, utilizaremos m´dulos GPS o que est´ emitiendo. Si bien este veh´ a ıculoEM-406A SiRF III [61], compactos, pre- deber´ de moverse en una situaci´n real, ıa ocisos y f´ciles de instalar en nuestra placa nosotros nos limitaremos a fijar su posici´n a oArduino de forma manual en un par de coordenadas geogr´ficas. a Tras la configuraci´n de los diferentes o Por su parte, el dispositivo B cuenta conm´dulos sobre la placa Arduino finalmente un m´dulo GPS que le permite conocer su o oqueda adaptar el algoritmo APAL a las car- posici´n y, por tanto, podr´ determinar a o aacter´ısticas y limitaciones que nos impone qu´ distancia se encuentra de ´l el veh´ e e ıculoeste tipo de sistemas embebidos. de emergencias A. Llegados a este punto, y como objetivo De esta forma, el par de dispositivos es-final de este proyecto de final de carrera, tablece una comunicaci´n inal´mbrica, ha- o arealizaremos una aproximaci´n hacia una ciendo uso del algoritmo adaptado APAL osoluci´n b´sica de Sistema de Alertas en para redifusi´n y control de broadcast storm- o a oCarretera, basado en el algoritmo de control ing, y donde el veh´ ıculo B podr´ estar infor- ade broadcast storming APAL, adaptado, e mado de las alertas que env´ el dispositivo ıeimplementado en el microcontrolador Open A.
  13. 13. xii
  14. 14. Contents1 OBJETIVOS Y MOTIVACION ´ 1 1.1 Introducci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Requisitos de la soluci´n propuesta . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3.1 Requisitos de la plataforma de simulaci´n o . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3.2 Requisitos de la plataforma de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . 42 ESTADO DEL ARTE 7 2.1 Redes VANETS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.1 Caracter´ ısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1.2 Desaf´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ıos . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Tecnolog´ inal´mbricas usadas en redes VANETs ıas a . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 Tencolog´ IEEE 802.11 . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 802.11p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2.4 UWB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.5 ZigBee - 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Servicios para la seguridad vial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.1 Mecanismos anti-colisi´n . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3.2 Aviso de peligro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.3 Paso de veh´ ıculos de emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 ZigBee/802.15.4 15 3.1 Introducci´n a ZigBee/802.15.4 . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Topolog´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.1 Topolog´ en estrella . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.2 Topolog´ en malla . . . . . . . . . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2.3 Topolog´ en ´rbol . . . . . . . . . . . . ıa a . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 Capa F´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.4 Capa MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4.1 Descripci´n general . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4.2 Modos de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Modo balizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Modo no balizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4.3 Algoritmo CSMA-CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 CSMA-CA ranurado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 CSMA-CA no ranurado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4.4 Inicializaci´n y mantenimiento de PAN o . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4.5 Formato de trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Formato general de trama MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Tramas de baliza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Tramas de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 xiii
  15. 15. xiv CONTENTS Tramas de ack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5 Capa de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.5.1 Descripci´n general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 28 3.5.2 Funciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Establecer una nueva red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Permitir a los dispositivos unirse a una red . . . . . . . . . . . . . . 29 Descubrimiento de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Unirse a una red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Tablas de vecindad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Mecanismo distribuido de asignaci´n de direcci´n corta . . . . . o o . . 31 Abandonar una red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Encaminamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.5.3 Formato de trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.6 Capa de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 34 3.6.1 Descripci´n general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 34 3.6.2 Subcapas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Subcapa de soporte de aplicaci´n (APS o Application Sublayer ) . o . . 35 Marco de aplicaci´n (AF o Application Framework ) . . . . . . . o . . 35 Objeto de dispositivo ZigBee (ZDO o ZigBee Device Object) . . . . . 36 3.6.3 Formato de trama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.7 Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 PLATAFORMA DE SIMULACION ´ 41 4.1 Simuladores para VANETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.2 Generadores de tr´fico vehicular . . . . . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.1 Modelos de tr´fico vehicular . . . . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.2.2 Generadores de Movilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2.3 Simuladores de redes de comunicaci´n . o . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.3 Simulador de redes OMNeT++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.3.1 Simulation for Urban mobility (SUMO) . . . . . . . . . . . . . . . . 49 ¿Por qu´ SUMO? . . . . . . . . . . . . . e . . . . . . . . . . . . . . . . 49 M´s sobre SUMO . . . . . . . . . . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . 49 ´5 NIVEL DE APLICACION - OMNET++ 51 5.1 mi applayer.c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5.2 APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 Broadcast Storm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 ´6 ESPECIFICACION DE ESCENARIOS 75 6.1 NETCONVERT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 6.1.1 Utilizando NETCONVERT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Edges y Lanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 vehicle types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 routes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6.2 MOVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 JTRROUTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4 Escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6.4.1 Escenario 1: v´ unica unidireccional . . . . . ıa ´ . . . . . . . . . . . . . 82 6.4.2 Escenario 2: v´ cuadrada unidireccional . . . ıa . . . . . . . . . . . . . 84 6.4.3 Escenario 3: red Manhattan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.4.4 Escenario 4: escenario real - Campus Externo UAH y barrio anexo . 89
  16. 16. CONTENTS xv ´7 SIMULACION Y RESULTADOS 93 7.1 Simulaci´n en v´ cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o ıa . 104 7.1.1 APAL - Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n o o del n´mero de veh´ u ıculos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.1.2 APAL - Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) . . . . . . 105 7.1.3 APAL - Tiempo medio de recepci´n de mensajes de alerta (en fun- o ci´n de la velocidad) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . 106 7.1.4 APAL - Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) . . . . . . . . . . o . 107 7.2 Simulaci´n - Mapa campus externo UAH . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . 108 7.2.1 APAL - Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n o o del n´mero de veh´ u ıculos) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.2.2 APAL - Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) . . . . . . 108 7.2.3 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n de la o o velocidad) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.2.4 APAL - Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) . . . . . . . . . . o . 110 7.2.5 Obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . 111 Right Two-Ray Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Attenuation per wall and attenuation per meter of penetration ap- proaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Obst´culos en OMNET++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a . 1158 SEGURIDAD EN REDES VANET BAJO PROTOCOLO 802.15.4 121 8.1 Control de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 8.2 (IDS) Sistemas de detecci´n de intrusos . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 123 8.3 Cifrado y firmas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Gesti´n de claves en cadena de certificados . . . . . . . . . . . . o . . 125 Gesti´n de claves basada en la movilidad . . . . . . . . . . . . . o . . 125 Autoridades de certificaci´n distribuidas . . . . . . . . . . . . . . o . . 125 Gesti´n paralela de claves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 125 ´ 8.4 SOLUCION ADOPTADA - Autorizaci´n de certificaci´n distribu´ o o ıda . . . . 126 8.4.1 Propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Transmisi´n de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 127 Obtenci´n de un pseud´nimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o o . . 127 Broadcast de mensajes veh´ ıculo-a-todos . . . . . . . . . . . . . . . . 128 ´9 IMPLEMENTACION EN ARDUINO 131 9.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.1.1 Visi´n general . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . 132 9.1.2 Alimentaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . 132 9.1.3 Memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 9.1.4 Entradas y Salidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 9.1.5 Comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 9.1.6 Programaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . 135 9.1.7 Reinicio Autom´tico (Software) . . . . . . . . a . . . . . . . . . . . . . 135 9.1.8 Protecci´n contra sobretensiones en USB . . o . . . . . . . . . . . . . 136 9.1.9 Caracter´ısticas F´ısicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 9.2 Configuraci´n Xbee para Arduino Uno . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . 136 9.2.1 Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 9.2.2 Configuraci´n XBee XNET 2.5 - peer-to-peer o . . . . . . . . . . . . . 137
  17. 17. xvi CONTENTS Paso 1. Conexi´n del XBee al xplorer y preparaci´n del software o o . . 138 Paso 2. Ejecutar X-CTU y conectar con XBee . . . . . . . . . . . . 138 9.2.3 Actualizaci´n de firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 138 9.2.4 Probando comunicaci´n entre los m´dulos XBee . . . . . . . . . o o . . 141 9.3 GPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 9.3.1 Instalaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . 142 9.4 Sistema de alertas en carretera - APAL - b´sico . . . . . . . . . . . . . . a . . 144 9.4.1 Algoritmo APAL adaptado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14610 CONCLUSIONES 15311 TRABAJO FUTURO 155BIBLIOGRAF´ IA 157
  18. 18. Lista de Figuras 2.1 Problema del terminal escondido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1 Pila de protocolos ZigBee/802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2 Topolog´ de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ıas . . . . . . 17 3.3 Canales radio 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.4 PDU (Protocol Data Unit ) de nivel f´ ısico o PPDU. . . . . . . . . . . . . . 19 3.5 Tratamiento de la PPDU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.6 Estructura de supertrama. Fuente: [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.7 Diagrama de bloques del algoritmo CSMA-CA. . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.8 Formato general de trama MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.9 Trama de baliza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.10 Trama de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.11 Trama de ack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.12 Ejemplo de red mostrando el Cskip(d) y las direcciones de red . . . . . . . . 33 3.13 Formato general de trama de red . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.14 Capa de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . 34 3.15 Formato general de trama de aplicaci´n . . . . . . . . . . . . . . o . . . . . . 36 3.16 Formato de trama con seguridad habilitada - Capa MAC . . . . . . . . . . 38 3.17 Formato de trama con seguridad habilitada - Capa de red . . . . . . . . . . 38 3.18 Formato de trama con seguridad habilitada - Capa de aplicaci´n o . . . . . . 38 4.1 Relaci´n de aplicaciones de simulaci´n para VANETs . . . . . . . . . . . . . 42 o o 4.2 Estructura modular de los modelos de OMNeT++. . . . . . . . . . . . . . . 48 5.1 Pila de protocolo 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 5.2 Estructura interna componente ieee802154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.3 Estructura interna componente ieee802154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 5.4 Componente gr´fico IEEE 802.15.4 . . . . . a . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.5 Estructura interna componenete ieee802154 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 5.6 Pila de protocolo 802.15.4 en OMNET++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.7 Estructura de la capa de aplicaci´n creada . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.8 Ejecuci´n de la simulaci´n . . . . . . . . . . o o . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5.9 APAL OMNET++ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 6.1 Esquema v´ unica unidireccional - SUMO ıa ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 6.2 V´ unica unidireccional - SUMO . . . . . ıa ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.3 Pantalla principal MOVE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 6.4 V´ unica unidireccional . . . . . . . . . . ıa ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 6.5 V´ cuadrada unidireccional . . . . . . . . ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 6.6 Mapa de Manhattan - 1807 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 6.7 Esquema rejilla manhattan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.8 MOVE - Generaci´n de escenarios . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 xvii
  19. 19. xviii LISTA DE FIGURAS 6.9 MOVE - Generaci´n aleatoria de escenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . o 88 6.10 MOVE - Configuraci´n de par´metros - Generaci´n aleatoria de escenarios o a o 89 6.11 Escenario generado operativo en SUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.12 Campus externo y barrio anexo de la Universidad de Alcal´ de Henares . . a 90 6.13 Exportando datos de OpenStreetMap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.14 Escenario final del campus externo UAH en SUMO . . . . . . . . . . . . . . 91 7.1 Componentes b´sicos en una simulaci´n SUMO-OMNET . . . . . . . . . . a o 93 7.2 Manager controlador en OMNET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.3 Componente ”car” en OMNET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 7.4 Componentes b´sicos + observador en OMNET . . . . . . . . . . . . . . . . a 95 7.5 Escenario v´ cuadrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ıa 97 7.6 Diagrama de flujo del observador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 7.7 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) - broadcast simple - NO APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.8 Diagrama de flujo del observador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.9 Estructura del vector de registro de datos de veh´ ıculos . . . . . . . . . . . . 101 7.10 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) - broadcast simple - NO APAL 103 7.11 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 7.12 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) - broadcast APAL . . . . . . . . 107 7.13 Tiempo medio de recepci´n de mensajes de alerta (en funci´n de la veloci- o o dad) broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.14 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . o 109 7.15 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . 110 7.16 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.17 Tiempo medio de recepci´n de mensajes de alerta (en funci´n de la veloci- o o dad) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.18 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) en mapa urbano UAH - broadcast APAL o 114 7.19 Right Two Ray Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.20 Movimiento de veh´ ıculo para la comprobaci´n de atenuaci´n . . . . . . . . o o 115 7.21 Proyecto Veins - Simulaci´n de obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o a 115 7.22 Estadistica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.23 Matriz grid Manhattan de obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 117 7.24 Tiempo medio de recepci´n de mensajes con y sin obst´culos . . . . . . . . o a 118 7.25 N´mero de veh´ u ıculos ciegos con y sin obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . a 119 7.26 Tiempo medio de recepci´n de mensajes con y sin obst´culos en funci´n de o a o la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.27 N´mero de veh´ u ıculos ciegos con y sin obst´culos en funci´n de la velocidad a o 120 8.1 Requisitos a cumplir en seguridad de la informaci´no . . . . . . . . . . . . . 122 8.2 Nuevo pseud´nimo . . . . . . . . . . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.3 Mensaje cifrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 8.4 Trama hello beacon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 9.1 Arduino Uno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 9.2 XBee ZNET 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
  20. 20. LISTA DE FIGURAS xix 9.3 XBee explorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 9.4 X-CTU Pantalla principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 9.5 X-CTU Pantalla selecci´n de firmware . o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 9.6 GPS EM-406A SiRF III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 9.7 Esquema de instalaci´n GPS en Arduino o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 9.8 SACAR simplificado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.9 APAL - SACAR adaptado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
  21. 21. xx LISTA DE FIGURAS
  22. 22. Lista de Tablas 3.1 Caracter´ ısticas de las frecuencias 802.15.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 Ejemplo de tama˜o de subgrupos de direcciones . . . . . . . . . . . . . . . . 32 n 7.1 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) - broadcast simple - NO APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 7.2 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) - broadcast simple - NO APAL 102 7.3 Par´metros de simulaci´n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a o 104 7.4 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7.5 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) - broadcast APAL . . . . . . . . 106 7.6 Tiempo medio de recepci´n de mensajes de alerta (en funci´n de la veloci- o o dad) broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7.7 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . o 107 7.8 Tiempo medio de recepci´n de mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de o o u veh´ıculos) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . 109 7.9 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ”ciegos” que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n del n´mero de veh´ o u ıculos) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.10 Tiempo medio de recepci´n de mensajes de alerta (en funci´n de la veloci- o o dad) en mapa urbano UAH - broadcast APAL . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.11 Blind Vehicles - N´mero de veh´ u ıculos ciegos que no reciben el mensaje de alerta (en funci´n de la velocidad) en mapa urbano UAH - broadcast APAL o 112 7.12 Tiempo medio de recepci´n de mensajes con y sin obst´culos . . . . . . . . o a 117 7.13 N´mero de veh´ u ıculos ciegos con y sin obst´culos . . . . . . . . . . . . . . . a 118 7.14 Tiempo medio de recepci´n de mensajes con y sin obst´culos en funci´n de o a o la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 7.15 N´mero de veh´ u ıculos ciegos con y sin obst´culos en funci´n de la velocidad a o 120 9.1 Microcontrolador ATmega328 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 xxi
  23. 23. xxii LISTA DE TABLAS
  24. 24. Chapter 1 ´OBJETIVOS Y MOTIVACION1.1 Introducci´n o Hace algo mas de 200 a˜os, en 1771, un ingeniero militar franc´s, Cugnot, cre´ el n e oprimer autom´vil de la historia movido por tracci´n mec´nica [1]. A partir de entonces, y o o agracias al proceso de fabricaci´n en serie que Henry Ford aplic´ en la construcci´n de su o o oautom´vil, el Ford T, el n´mero de coches en circulaci´n ha crecido espectacularmente en o u otodo el mundo, alcanzando los 800 millones de veh´ ıculos en la actualidad. Esta cifra, que en un principio nos hace pensar en un progreso positivo del ser humano,favoreciendo la movilidad, comunicaci´n y productividad, tiene tambi´n su lado negativo, o ey es el n´mero de accidentes de tr´fico que cada a˜o se cobran la vida de miles de personas. u a nEn este sentido, si observamos la evoluci´n del n´mero de accientes de tr´fico en la Uni´n o u a oEuropea, vemos como en el a˜o 1995 fueron aproximadamente unos 65.000, mientras que nen el a˜o 2006, se sit´an por debajo de los 50.000 [2]. n u Vemos por tanto como hay una tendencia a la baja, a pesar de que el n´mero de uveh´ıculos creci´ en el mismo per´ o ıodo. Este hecho se debe, principalmente, a las continuasmejoras en la calidad de los trazados, en la educaci´n vial del ciudadano y en la seguridad ode los veh´ıculos. Cabe destacar la importancia que ha tenido el desarrollo de este ultimo aspecto, la se- ´guridad en los veh´ıculos. As´ la agencia norteamericana de seguridad, National Highway ı,Traffic Safety Administration, ha estimado que, en el per´ ıodo 1975-1999, han podido sal-varse 123.000 vidas gracias al uso del cintur´n, y que, gracias al uso del airbag, se habr´ o ıansalvado en el per´ ıodo 1987-2001, 7200 vidas. Estos dos dispositivos mencionados anteriormente se enmarcan dentro de los elementosde seguridad pasivos, pues realizan su funci´n tras producirse el accidente. Si nos fijamos oen los elementos de seguridad activos (entre ellos se encontrar´ los frenos), podemos ıan 1

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