Actividad 12: Aplicación de una Red Ad Hoc

Laboratorio de Redes de Telecomunicaciones
Actividad 12

Nombre del documento:
Cognitive maritime wireless mesh/ad hoc networks

Autores:
Ming-Tuo Zhou y Hiroshi Harada

Enlace:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S108480451100004X

Introducción

Hoy en día, con la proliferación de Internet y diversas tecnologías de la información, el acceso inalámbrico de banda ancha se ha convertido en una necesidad en la vida diaria y el trabajo. Mientras que el acceso de banda ancha inalámbrico lo encontramos comúnmente disponible en la tierra, no es el caso para los usuarios que se encuentran a bordo de un barco. Las comunicaciones inalámbricas actuales en el mar se basan principalmente en los enlaces por satélite que son relativamente lentos y muy caros. Hay una fuerte necesidad de comunicaciones de alta velocidad y de bajo costo en el mar, al igual que en la tierra.

Para satisfacer la necesidad anterior, algunos de los nuevos sistemas de comunicación marítimos han estado surgiendo en los últimos años. En Singapur, WISE-PORT (Wireless-broadband-access for SeaPORT), proporciona acceso de red inalámbrica y de banda ancha móvil en el mar, con velocidades desde 5Mbps basados ​​en 802.16e.

Sin embargo, la distancia de cobertura aún es muy corta (hasta 15 km desde la costa sur de Singapur). En Noruega, la red digital de muy alta frecuencia (VHF) con velocidad de datos de entre 21 y 133 kbps es desarrollada y se extenderá a lo largo de toda la costa de Noruega, con una distancia de cobertura que puede ser de hasta 130 km. Sin embargo, la velocidad sigue siendo lenta.

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Otros sistemas híbridos basados ​​en satélites y sistemas de Radiodifusión de Vídeo Digital (DVB) pueden tener un ancho de banda amplio, sin embargo, son también de alto costo, ya que requiere de una antena montada en el barco para transmisión de señales.

En el documento se propone el uso de una red en malla Ad Hoc para proporcionar comunicación de alta velocidad y de bajo costo entre barco y barco basado en la tecnología Mesh de IEEE 802.16d en un proyecto denominado TRITON. La red está formada por los barcos vecinos, balizas y boyas marinas, y que se conectan a las redes terrestres a través de las estaciones terrestres que se colocan regularmente a lo largo de las costas. Como cada nodo en la malla puede transmitir el tráfico de otros, la cobertura de la red se puede ampliar fácilmente.

La dificultad de una red Ad Hoc es encontrar el rango de espectros para este funcionamiento, debido a la congestión de asignaciones de ancho de banda actuales. Las estaciones de acoplamiento sobre la tierra y los barcos cerca de la costa pueden tener que coexistir con otros dispositivos de radio instalados cerca de la región costera. Más aún, como algunos barcos pueden viajar a través de países y continentes, se requiere aún la armonización de las bandas de frecuencia de todo el mundo para crear una red Ad Hoc de este tipo.

Entre los desafíos para la malla de comunicación marítima cognitiva se encuentran el movimiento superficial del mar y el canal de transmisión. Una comunicación cognitiva es una tecnología para permitir que los usuarios sin permiso para utilizar las bandas de frecuencias restringidas, pero sin uso, sean aprovechadas. Es un método eficaz para mejorar la eficiencia de uso del espectro y para mitigar el problema de la congestión del espectro.

En cuanto a la arquitectura del sistema, se contemplan tres escenarios de red.

1. Una red de malla Ad Hoc desplegada a lo largo de las costas, donde los barcos cercanos a los puertos marítimos pueden ser comunicados.
2. Una red Ad Hoc en el mar profundo formada por los barcos vecinos.
3. Una red de malla formada por las instalaciones marítimas, como granjas marinas, plataformas de petróleo, etc.

Una red marítima cognitiva de malla Ad Hoc necesita que los nodos sean inteligentes para lograr cambiar sus frecuencias de operación y adaptarse a la ubicación geográfica, el estado del mar, la densidad de nodos, alcance de la comunicación y la región, para lograr la mejor calidad de la comunicación y seguir las normas nacionales de frecuencia de radios.

Red marítima cognitiva con malla Ad Hoc

La siguiente imagen obtenida desde el mismo documento muestra los tres tipos de escenarios que se presentan para la comunicación de red.

La malla de red Ad Hoc de barco a barco se forma por los barcos vecinos cercanos a la costa, las boyas marinas se utilizan como estaciones repetidoras y estaciones base de las que se instalan regularmente a lo largo de la costa. Un caso típico de este tipo de red se encuentra en un pequeño estrecho con las rutas marítimas ocupadas o en un puerto de mar con muchos barcos. A medida que la densidad de nodos es relativamente alta, el tráfico entre una estación base y un barco que está a varios saltos de distancia se transmite por los barcos o boyas marinas.

La red Ad Hoc de barco a barco en el mar profundo es diferente ya que no hay conexión a una estación base de la tierra. En este caso, la comunicación puede caer de nuevo a la comunicación por satélite significado que se necesita un conmutador de red inteligente a bordo de cada barco. Pero las comunicaciones entre barcos cercanos son todavía posibles.

Las redes de malla en las instalaciones marítimas fijas están formadas por instalaciones marítimas como plataformas de petróleo y gas, granjas marinas, monitores de seguridad y los monitores del medio marino y recolectores de datos, y cuando es necesario, las boyas marinas se pueden configurar para la retransmisión y enrutamiento. Estas redes se crean para satisfacer la creciente necesidad de la exploración de hidrocarburos en zonas marinas, cultivos marinos, la piratería, protección del medio ambiente y así sucesivamente. Estaciones base terrestres pueden ser instalados en tierra que cuando están cerca de estas instalaciones. Los nodos de la malla instalada en estas instalaciones puede enviar y recibir tráfico en la red en las naves cercanas.

El entorno de comunicación marítima es diferente al de la tierra en muchos aspectos, así que las mallas Ad Hoc con nodos marítimos necesitan adaptarse al entorno.

La superficie del mar se mueve constantemente, lo que lleva a desalineaciones frecuentes de las antenas y a un enlace de calidad nada estable. El enlace también puede sufrir oclusión por las olas del mar. Es importante que los nodos de la malla sean capaces de mantener la conectividad robusta y los protocolos de enrutamiento deben ser lo suficientemente resistentes. En el mar, la distancia entre dos barcos en la comunicación, posiblemente, puede ser de 10 km, entonces se requiere la antena direccional de alta ganancia.

Desafíos de la comunicación marítima

El entorno de comunicación marítima tiene propiedades únicas y desafíos en comparación con la comunicación en el medio terrestre. Para el éxito de un sistema de comunicación marítima, diseños apropiados, tanto en protocolo y hardware son obligatorios. El entorno de comunicación marítima se caracteriza principalmente por el movimiento de la superficie del mar y la propagación de radio.

La superficie del mar se mueve todo el tiempo y lleva a un enlace inestable. El movimiento de las olas del mar cambia continuamente la orientación de la antena y la altura, y luego cambia la ganancia de la antena y la potencia de la señal de radio recibida. La rugosidad de la superficie del mar se mide mediante los llamados estados de la mar, que se caracteriza por los parámetros de altura significativa de ola de mar, la longitud media de las olas del mar, y el periodo de la ola medio del mar.

La calidad de un enlace en una malla de red Ad Hoc probablemente puede experimentar una degradación periódica debido al movimiento de la superficie del mar. Tiene un impacto significativo en alto diseño del protocolo de capa. Por ejemplo, un mal enlace puede durar varios segundos debido al largo periodo de las olas del mar. En este caso, todas las retransmisiones de un paquete con errores pueden fallar. En este caso mejorar la diversidad de comunicación puede ser más eficaz.

Experimentación mediante simulación

Como vemos la comunicación marítima resulta algo complicada cuando se trata de establecer conexión entre los nodos de una red, ya que los desafíos anteriormente descritos son la principal causa de la pérdida de conexión y pérdida de paquetes dentro la red. En el documento se presentan pruebas mediante simulación creadas para conocer y evaluar la calidad de una conexión en una red de este tipo, donde los barcos funcionan como nodos y están expuestos a este tipo de fenómenos como el movimiento del barco provocado por las olas del mar, el uso de diferentes canales de frecuencia y distancias de transmisión.

Lo que resulta de esta experimentación son datos que muestran gráficamente la probabilidad de detección de señal según diferentes estados del movimiento del mar, donde se introduce velocidad del viento, altura de las olas, el período de oscilación de las olas. También determinan el porcentaje promedio de pérdida de paquetes y el radio máximo de transmisión para este tipo de casos. Todos los resultados se encuentran en el documento que es accesible desde el enlace en la referencia.

Conclusiones

Como se menciona en el documento, una de las aplicaciones más usadas de las redes Ad Hoc, es en la comunicación marítima, ya que la comunicación por satélite suele ser de alto costo, y buscar de lugares que sirvan para ubicar antenas retransmisoras, como lo pueden ser las plataformas petroleras o estaciones de investigación marítimas estáticas, que transmitan la señal desde estaciones ubicadas en la costa resulta muy difícil.

Por lo tanto, la implementación de una red Ad Hoc que permita la comunicación entre barco y barco para lograr crear una red de transmisión más amplia es de gran utilidad. Sin embargo, el uso de una red de este tipo involucra varias dificultades debido a factores que se presentan como el movimiento del mar, y se busca mejorar las técnicas de comunicación para tener una transmisión de calidad sin gran pérdida de paquetes.

Referencia:
Ming-Tuo Zhou y Hiroshi Harada, "Cognitive maritime wireless mesh/ad hoc networks", en Journal of Network and Computer Applications, Singapur, 2011, pp. 518-525. [En línea]. [Fecha de consulta: 19 de Mayo, 2013]. Disponible en:
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S108480451100004X