Mecanismos de aumentación móvil basado en nubes esporádicas de computación para desplegar y soportar servicios en redes vehiculares ad-hoc

Abstract

Los avances tecnológicos en las áreas de las comunicaciones, software y microelectrónica han permitido el desarrollo de dispositivos con grandes prestaciones, portados por la mayoría de personas e inclusive por los vehículos que transitan por las ciudades de todo el mundo. La posibilidad de que las personas y los vehículos puedan estar conectados permite satisfacer necesidades de comunicación, información y entretenimiento. Por una parte, los peatones de la urbe pueden en contacto con su círculo social y descargar contenido de Internet; por otra, los vehículos pueden obtener y compartir información referente al tránsito y a su entorno. Contando con unos recursos comunes de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TICs), surge una sinergia que apunta a la formación de redes híbridas de comunicación, como pilares básicos de las ciudades inteligentes del futuro. La conformación de redes de comunicaciones de peatones y vehículos acarrea grandes retos debido, principalmente, a su movilidad. En este sentido, las redes móviles ad-hoc (MANETs) y las redes vehiculares ad-hoc (VANET) han sido propuestas para habilitar las comunicaciones entre dispositivos de manera inalámbrica sin la necesidad de una infraestructura fija. El objetivo principal de esta tesis fue el diseño, implementación y evaluación de un conjunto de mecanismos y procesos que habilitase la compartición de recursos (de computación, de comunicación, de almacenamiento, de sensado, etc.) entre los dispositivos móviles que forman parte de una misma red. Se desarrolló para ello el concepto de nubes esporádicas de aumentación, en las que conjuntos variables de dispositivos colaboran durante cortos periodos de tiempo para soportar de forma confiable el despliegue de un amplio abanico de servicios de comunicación. Para alcanzar el objetivo propuesto fue necesario considerar varios aspectos. El primero de ellos está relacionado con la movilidad de los dispositivos (especialmente los que van a bordo de vehículos), que degrada la confiabilidad y eficiencia de las comunicaciones. Muchos han sido los esfuerzos previos por diseñar algoritmos y protocolos que permitan apuntalar las comunicaciones. Uno de estos esfuerzos fue presentado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), quienes definieron el concepto de nodos virtuales, con el propósito de que un grupo de nodos situados dentro de un área geográfica pudiesen emular el comportamiento de un único nodo estático con capacidades mayores que las de aquellos y accesible para todos los demás. En esta tesis se hicieron aportes a este enfoque, necesarios para funcionar correctamente en los entornos más dinámicos. Un segundo aspecto a considerar fue la necesidad de desarrollar un protocolo de encaminamiento que trabajase sobre nodos virtuales y considerase la topología de un centro urbano. De esta forma, el protocolo de encaminamiento aseguraría una comunicación más eficiente y fluida, dando soporte a los procesos y mecanismos destinados para la formación de nubes esporádicas de aumentación. El tercer aspecto que se consideró fue el de establecer propiamente los procesos y mecanismos que permitiesen la formación de las nubes esporádicas y la adecuada compartición de los recursos disponibles dentro de ellas. Ligado a ello, se establecieron esquemas de colaboración para incentivar a los nodos a colaborar en las diferentes tareas asociadas a las comunicaciones y a la compartición de recursos, así como mejorar el rendimiento de la propuesta en lo que respecta al uso del medio de transmisión. Las contribuciones en todas estas áreas fueron validadas a través de simulaciones de servicios de descarga colaborativa, en distintos escenarios y en comparación con esquemas previos, representativos del estado del arte en la materia. El análisis de los resultados mostró que las contribuciones de esta tesis mejoran considerablemente el número de descargas y el tiempo promedio en el cual se consigue un determinado contenido. Estas evidencias dan pie a pensar que el concepto de aumentación aquí elaborado podría convertirse en piedra angular de nuevos servicios de comunicaciones para las ciudades inteligentes en general, y para los sistemas de transporte inteligentes en particular.

Os principios conceptuais da computación en nube e da computación omnipresente poden enfocarse á entrega de novas aplicacións e servizos no campo dos Sistemas de Transporte Intelixente (ITS), relacionados coa seguridade vial, coa xestión eficiente do tráfico e coa información de entretemento. A implantación de servizos no campo da ITS implica un grande desenvolvemento tecnolóxico, ademáis dun alto investimento en infraestruturas de comunicación. Esta tese pretende mitigar estas desvantaxes aproveitando as características das redes de vehículos ad-hoc, relacionadas coa capacidade de autoxestionarse e organizarse sen a necesidade dunha infraestrutura de comunicacións físicas, ata pode conectarse a redes fixas formando redes híbridas. Co enfoque proposto, as redes ad-hoc sen fíos convértense nun ecosistema de comunicacións para dispositivos móbiles a bordo de vehículos, onde poden realizar tarefas comúns, intercambiar información e recursos (hardware, software e computación) entre eles ou desde e cara a Internet, a través de infraestruturas de comunicacións fixas situadas na estrada.

Technological advances in the areas of communications, software and microelectronics have allowed the development of high-performance devices, carried by most people and even by the vehicles that travel in cities around the world. The possibility that people and vehicles can be connected allows satisfying communication, information and entertainment needs. On the one hand, pedestrians in the city can contact their social circle and download content from the Internet; on the other, vehicles can obtain and share information regarding traffic and their environment. Counting on common resources of Information and Communication Technologies (ICTs), a synergy arises that points to the formation of hybrid communication networks, as basic pillars of the smart cities of the future. The creation of communication networks for pedestrians and vehicles entails great challenges, mainly due to their mobility. In this sense, ad-hoc mobile networks (MANETs) and ad-hoc vehicular networks (VANET) have been proposed to enable wireless communications between devices without the need for a fixed infrastructure. The main objective of this thesis was the design, implementation and evaluation of a set of mechanisms and processes that enable the sharing of resources (computing, communication, storage, sensing, etc.) between mobile devices that are part of the same network. The concept of sporadic augmentation clouds was developed, meaning that variable sets of devices collaborate for short periods of time to reliably support the deployment of a wide range of communication services. To reach the proposed objective, it was necessary to consider several aspects. The first one is related to the mobility of the devices (especially those on board vehicles), which degrades the reliability and efficiency of communications. Many previous efforts have been made to design algorithms and protocols to support communications. One of these efforts was presented by researchers from the Massachusetts Institute of Technology (MIT), who defined the concept of virtual nodes, so that a group of nodes located within a geographical area could emulate the behavior of one only static node, with greater capabilities and accessible to all others. This thesis makes contributions to this approach, needed to function correctly in the most dynamic environments. A second aspect to consider was the need to develop a routing protocol that would work on virtual nodes and consider the topology of an urban center. In this way, the routing protocol would ensure a more efficient and fluid communication, supporting the processes and mechanisms destined for the formation of sporadic augmentation clouds. The third aspect considered was to properly establish the processes and mechanisms that would allow the formation of sporadic clouds and the adequate sharing of the resources available within them. Linked to this, collaborative schemes were established to encourage the nodes to collaborate in the different tasks associated with communications and the sharing of resources, as well as to improve the performance of the proposal with regard to the use of the transmission medium. The contributions in all these areas were validated through simulations of collaborative download services, in different scenarios and in comparison with previous schemes, representative of the state-of-the-art in the matter. The analysis of the results showed that the contributions of this thesis considerably improve the number of downloads and the average time in which a certain piece of content is grasped. These evidences lead to believing that the concept of augmentation developed here could become the cornerstone of new communications services for smart cities in general, and for intelligent transport systems in particular.