The verification by a case study

En todos los casos los escenarios simulados conformaban una red MANET en la cual los usuarios están dentro de un área geográfica determinada por un cuadrado

de área 1 u2 _{(1000u x1000u), todos los nodos están equipados con un dispositivo}

de radio con un alcance dado por la potencia de transmisión y el modelo de pérdidas por propagación, la cual se estableció de 16 dbm. Dado que el principal reto que tiene que enfrentar un protocolo de ruteo en una red radio cognitiva es la pérdida repentina de enlaces, en los escenarios simulados se varió la velocidad a la que se movían los nodos ya que el aumento en la velocidad y la propia movilidad provocan de forma impredecible la ruptura de los enlaces, debido a que los nodos pueden salir del área de cobertura de otros nodos con los cuales mantenía un enlace.

3.2.1 Posicionamiento de los nodos

Para el posicionamiento de los nodos se utiliza la clase Positionallocator

embebidas en NS3 y de ésta los métodos RandomRectanglePositionAllocator y

GridPositionAllocator. El método GridPositionAllocator permite posicionar los nodos a lo largo de una fila o una columna; según se elija, se le añade un atributo

en cada fila o columna, al llegar al número especificado continúa distribuyendo nodos arriba o al lado en dependencia de si es fila o columna. Además se especifica también el espaciamiento entre nodos por las ordenadas y las abscisas, y la posición del primer nodo.

Por otra parte el método RandomRectanglePositionAllocator crea un rectángulo de

dimensiones dadas y los nodos se posicionan dentro de éste aleatoriamente, en el rango igualmente definido, debido a que la aleatoriedad es lo un pilar fundamental para la simulación se escogió este método para ubicar inicialmente los nodos. La figura 3.1 muestra una porción del script de simulación donde se define la posición inicial de cada nodo. Nótese que se ubican los nodos siguiendo una distribución uniforme entre 0 y 1000 unidades.

Figura 3.1. Posicionamiento inicial de cada nodo. Elaboración propia.

3.2.2 Modelos de movilidad

Una vez definida la posición inicial de cada nodo es necesario un modelo que determine su posición en cada instante de tiempo durante la simulación. El modelo de movilidad es el conjunto de características del movimiento descrito por cada nodo móvil dentro del área simulada. Cada modelo de movilidad intenta representar y ajustarse a alguna situación real que pueda darse en alguna aplicación o entorno de estudio concreto. Cada uno de los terminales móviles se moverá dentro del área simulada siguiendo el modelo de movilidad seleccionado.

El NS3 posee varios métodos dentro del módulo mobility que son

implementaciones de diferentes modelos de movilidad, para la simulación se

empleó el modelo RandomWaypoint (RWP), el cual esta implementado en NS3.

recta y con velocidad constante entre dos puntos elegidos al azar dentro del espacio limitado para los movimientos, como se observa en la figura 3.2.

Figura 3.2. Patrón de viaje utilizando modelo RWP. Elaboración propia.

En el caso de un espacio bidimensional, para cada nuevo movimiento, el nodo determina las coordenadas (x e y) del siguiente destino mediante una variable aleatoria uniformemente distribuida entre 0 (origen de coordenadas) y el límite máximo permitido para los desplazamientos en cada dirección (1000 u en este caso). Una vez que se alcanza un destino y previamente a elegir el siguiente, el modelo RWP permite pausas, normalmente caracterizadas con un valor constante. Igualmente, en la mayor parte de las implementaciones, la velocidad constante de cada trayecto se suele decidir también a través de una distribución uniforme en el intervalo (0, Vmáx], siendo Vmáx (expresada en m/s) la velocidad máxima permitida para los nodos.

Realmente son escasos los escenarios reales en los que los nodos de comunicación se mueven de la manera aleatoria que define RWP, además el modelo no contempla la presencia de obstáculos en el área de desplazamiento, pero si garantiza la aleatoriedad en la perdida de los enlaces que es motivo fundamental por el que se selecciona dicho modelo.

La figura 3.3 muestra la porción del script de simulación donde se configura el modelo de movilidad de los nodos. La variable nodespeed contiene la velocidad

máxima de los nodos y ssPause el tiempo de parada luego de alcanzar el objetivo

hacia donde se movía el nodo, para luego continuar hasta el siguiente objetivo aleatorio. Para la simulación se tomó cero milisegundos para el tiempo de parada, con el objetivo de hacer más impredecible el comportamiento de los nodos.

Figura 3.3. Configuración del modelo de movilidad. Elaboración propia.

3.2.3 Modelos de pérdidas de propagación y retardo

El módulo propagation, del NS3 posee varias clases referidas a modelos de

pérdidas de propagación y retardo. Los modelos empleados en la simulación fueron el Modelo de Demora de Propagación constante por velocidad contenido en el método ConstantSpeedPropagationDelayModel y el modelo de pérdidas de Friis contenido en FriisPropagationLossModel.

La clase ConstantSpeedPropagationDelayModel implica que exista un retardo de

propagación constante en el canal. Por otra parte el modelo de Friis se deduce de las ecuaciones de Maxwell y permite calcular la potencia recibida a cierta distancia en condiciones ideales, es decir, sin obstáculos de ninguna naturaleza. En este modelo la potencia recibida en función de la distancia está dada por la ecuación 3.1.

𝑃_𝑟(𝑑) =𝑃_(4𝜋)𝑇𝐺𝑇₂𝐺_𝑑𝑅₂𝜆_𝐿2

Dónde:

Pt y Pr: Potencias transmisora y receptora respectivamente.

Gt y Gr: Ganancias de las antenas transmisora y receptora respectivamente. L: Pérdidas del sistema.

λ: es la longitud de onda.

El modelo de espacio libre básicamente representa un rango de comunicación como un círculo alrededor del transmisor (región de cobertura), donde cada nodo se puede comunicar con los nodos que se encuentren dentro de su región de cobertura, para la simulación todos los nodos tienen igual potencia de transmisión por lo que el círculo que define su región de cobertura es el mismo para todos los nodos. La figura 3.3 muestra el fragmento del script de simulación donde se configuran los modelos de propagación y pérdidas descritos.

3.2.4 Montaje y configuración de la red MANET

Para realizar el montaje y la configuración de la red se necesita primero crear los nodos, los cuales se almacenan para simulación en forma de arreglos en variables de las clases NodeContainer, Net Devices e Ipv4 Interface Container que son necesarios para configurar el tipo de dispositivo con el que está equipado cada nodo y las direcciones IP de cada uno. Posteriormente se procede a la configuración de las capas PHY y MAC, del modelo OSI [34], utilizando las clases provistas por NS3. Como se puede observar en las siguientes líneas de código: se configura la capa MAC, se configura la red en modo Ad Hoc usando el estándar IEEE 802.11b [35, 36], se crea la capa PHY, se establece el canal añadiéndole el retardo de propagación y las pérdidas, se fija la potencia de transmisión, y finalmente se instala lo realizado en los dispositivos. La figura 3.4 muestra la configuración de los nodos y la asignación de los modelos de propagación y pérdidas descritos en el epígrafe anterior, además de la asignación de la potencia

de transmisión (txp) de los nodos, que como se mencionó anteriormente fue de 16

Figura 3.4. Configuración de las capas PHY y MAC en los nodos. Elaboración propia.

Una vez configuradas las capas PHY y MAC se instala en los nodos la pila (stack)

de protocolos de Internet, IP, UDP, y se configura el protocolo de ruteo a utilizar en la red MANET. La figura 3.5 muestra la configuración en el script de simulación de estos parámetros.

Figura 3.5. Configuración de los protocolos de ruteo y asignación de rango de direcciones IP. Elaboración propia.

La asignación de las direcciones IP en los nodos se realiza utilizando la clase

Ipv4AddressHelper, para la simulación se utilizaron las direcciones IP desde la 10.1.1.0 usando la máscara 255.255.255.0. El NS3 automáticamente comienza la asignación de direcciones con la primera dirección del segmento de direcciones establecido (10.1.1.1) y sucesivamente asigna las direcciones siguientes a todos los nodos, o sea, la primera dirección asignada será la 10.1.1.1, la segunda 10.1.1.2 y así sucesivamente para todos los nodos creados.

Finalmente se configura la aplicación que va a producir el tráfico de datos en la red, para la simulación se escoge el tráfico on-off [37, 38], utilizando el protocolo UDP, se realiza el envío de este tráfico durante 60 segundos de simulación (20 por ciento del tiempo) hacia destinos aleatorios desde el 20 por ciento de los nodos. De esta manera quedan completados los script de simulación, la Tabla 3.1 muestra un resumen de los parámetros de configuración de las simulaciones. Como muestra la tabla se simulan cuatro escenarios diferentes variando en cada caso la velocidad máxima de los nodos y el protocolo de ruteo utilizado.

Simulador de red NS3

Protocolos de ruteo DSDV, OLSR, AODV, DSR

Tiempo de simulación 300 segundos

Área de simulación 1000u x 1000u

Número de nodos 5, 10, 20, 50, 100

Velocidad máxima de los nodos 0, 5, 20 u/s

Protocolos MAC IEEE 802.11 b

RTS/ CTS Paquetes superiores a 2200 Bytes

Modelo de propagación Modelo de pérdidas de Friis