Red inalámbrica ad hoc

La primera red de datos inalámbrica se llamó PRNET , la red de radio de paquetes , y fue patrocinada por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA) a principios de la década de 1970. Bolt, Beranek y Newman Inc. (BBN) y SRI International diseñaron, construyeron y experimentaron con estos primeros sistemas. Entre los experimentadores se encontraban Robert Kahn , ^{[ 4 ]} Jerry Burchfiel y Ray Tomlinson . ^{[ 5 ]} Experimentos similares tuvieron lugar en la comunidad de radioaficionados con el protocolo x25. Estos primeros sistemas de radio de paquetes precedieron a Internet y, de hecho, fueron parte de la motivación del conjunto original de Protocolos de Internet. Experimentos posteriores de DARPA incluyeron el proyecto Survivable Radio Network ( SURAN ), ^{[ 6 ]} que tuvo lugar en la década de 1980. Un sucesor de estos sistemas se desplegó a mediados de la década de 1990 para el Ejército de los EE. UU., y más tarde para otras naciones, como la radio digital a corto plazo .

Otra tercera oleada de actividad académica y de investigación comenzó a mediados de la década de 1990 con la llegada de las tarjetas de radio 802.11 económicas para ordenadores personales . Las redes inalámbricas ad hoc actuales están diseñadas principalmente para uso militar. ^{[ 7 ]} Los problemas con las radios de paquetes son: (1) elementos voluminosos, (2) baja velocidad de datos, (3) incapacidad para mantener enlaces si la movilidad es alta. El proyecto no avanzó mucho más hasta principios de la década de 1990, cuando nacieron las redes inalámbricas ad hoc.

El auge de los portátiles y las redes inalámbricas 802.11/Wi-Fi han convertido a las MANET en un tema de investigación popular desde mediados de la década de 1990. Numerosos artículos académicos evalúan protocolos y sus capacidades, asumiendo distintos grados de movilidad dentro de un espacio delimitado, generalmente con todos los nodos a pocos saltos de distancia entre sí. Posteriormente, se evalúan diferentes protocolos en función de parámetros como la tasa de pérdida de paquetes, la sobrecarga introducida por el protocolo de enrutamiento, los retrasos de extremo a extremo de los paquetes, el rendimiento de la red, la capacidad de escalabilidad, etc.

A principios de la década de 1990, Charles Perkins de SUN Microsystems USA y Chai Keong Toh de la Universidad de Cambridge comenzaron a trabajar por separado en un tipo diferente de Internet: una red inalámbrica ad hoc. Perkins trabajaba en los problemas de direccionamiento dinámico. Toh trabajaba en un nuevo protocolo de enrutamiento, conocido como ABR ( enrutamiento basado en asociatividad) . ^{[ 8 ]} Perkins propuso finalmente DSDV (enrutamiento de vector de distancia de secuencia de destino), basado en el enrutamiento de vector de distancia distribuido. La propuesta de Toh era un enrutamiento bajo demanda, es decir, las rutas se descubren sobre la marcha en tiempo real según sea necesario. ABR ^{[ 9 ]} se presentó al IETF como RFC. ABR se implementó con éxito en el sistema operativo Linux en portátiles Lucent WaveLAN 802.11a y, por lo tanto, se demostró que una red móvil ad hoc práctica era posible ^{[ 3 ] [ 10 ] [ 11 ]} en 1999. Posteriormente se introdujo otro protocolo de enrutamiento conocido como AODV, que luego se demostró e implementó en 2005. ^{[ 12 ]} En 2007, David Johnson y Dave Maltz propusieron DSR – Dynamic Source Routing . ^{[ 13 ]}

Una red móvil ad hoc (MANET) es una red de dispositivos móviles sin infraestructura, que se autoconfigura y autoorganiza continuamente ^{[ 15 ] y se conecta sin cables. A veces se la conoce como redes "sobre la marcha" o "redes espontáneas" [ 16 ]} .

Las VANET se utilizan para la comunicación entre vehículos y equipos en la carretera. ^{[ 17 ]} Las redes ad hoc vehiculares inteligentes (InVANET) son un tipo de inteligencia artificial que ayuda a los vehículos a comportarse de manera inteligente durante colisiones y accidentes entre vehículos. Los vehículos utilizan ondas de radio para comunicarse entre sí, creando redes de comunicación instantáneas en tiempo real mientras se desplazan por las carreteras. Las VANET deben protegerse con protocolos ligeros. ^{[ 18 ]}

Una red SPAN aprovecha el hardware existente (principalmente Wi-Fi y Bluetooth ) y el software (protocolos) en los teléfonos inteligentes disponibles comercialmente para crear redes punto a punto sin depender de redes de operadores celulares, puntos de acceso inalámbricos o infraestructura de red tradicional. Las redes SPAN se diferencian de las redes tradicionales de concentrador y radios , como Wi-Fi Direct , en que admiten retransmisiones de múltiples saltos y no existe el concepto de líder de grupo, por lo que los pares pueden unirse y abandonar la red a voluntad sin destruirla. El iPhone de Apple con iOS versión 7.0 o superior es capaz de crear redes de malla ad hoc multi-peer. ^{[ 19 ]}

Las redes malladas reciben su nombre de la topología de la red resultante. En una malla completamente conectada, cada nodo está conectado a todos los demás, formando una "malla". Una malla parcial, por el contrario, tiene una topología en la que algunos nodos no están conectados entre sí, aunque este término se usa con poca frecuencia. Las redes inalámbricas ad hoc pueden adoptar la forma de redes malladas u otras. Una red inalámbrica ad hoc no tiene una topología fija, y su conectividad entre nodos depende totalmente del comportamiento de los dispositivos, sus patrones de movilidad, la distancia entre ellos, etc. Por lo tanto, las redes malladas inalámbricas son un tipo particular de redes inalámbricas ad hoc, con especial énfasis en la topología de red resultante. Si bien algunas redes malladas inalámbricas (particularmente las que se encuentran dentro de un hogar) tienen una movilidad relativamente infrecuente y, por lo tanto, pocas interrupciones de enlace, otras redes malladas más móviles requieren ajustes de enrutamiento frecuentes para compensar la pérdida de enlaces. ^{[ 20 ]}

Las MANET militares o tácticas son utilizadas por unidades militares con énfasis en la velocidad de datos, el requisito de tiempo real, el enrutamiento rápido durante la movilidad, la seguridad de los datos, el alcance de radio y la integración con los sistemas existentes. ^{[ 21 ]} Las formas de onda de radio comunes incluyen la JTRS SRW del Ejército de EE. UU. y la forma de onda MN-MIMO de Silvus Technologies (MIMO en red móvil), ^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]} . Las comunicaciones móviles ad hoc son adecuadas para satisfacer esta necesidad, especialmente por su naturaleza sin infraestructura, despliegue rápido y operación. Las MANET militares son utilizadas por unidades militares con énfasis en el despliegue rápido, sin infraestructura, redes totalmente inalámbricas (sin torres de radio fijas), robustez (las interrupciones de enlace no son un problema), seguridad, alcance y operación instantánea.

Las redes aéreas ad hoc (FANET) están compuestas por vehículos aéreos no tripulados , lo que permite una gran movilidad y proporciona conectividad a zonas remotas. ^{[ 26 ]}

Un vehículo aéreo no tripulado (VANT ) es una aeronave sin piloto a bordo. Los VANT pueden controlarse remotamente (es decir, pilotados desde una estación de control terrestre) o volar de forma autónoma según planes de vuelo preprogramados. Entre los usos civiles de los VANT se incluyen el modelado de terrenos 3D, la entrega de paquetes ( logística ), etc. ^{[ 27 ]}

Los UAV también han sido utilizados por la Fuerza Aérea de los EE. UU. ^{[ 28 ]} para la recopilación de datos y la detección de situaciones, sin poner en riesgo al piloto en un entorno hostil extranjero. Con la tecnología de red inalámbrica ad hoc integrada en los UAV, múltiples UAV pueden comunicarse entre sí y trabajar en equipo, colaborando para completar una tarea y misión. Si un UAV es destruido por un enemigo, sus datos pueden ser transferidos rápidamente de forma inalámbrica a otros UAV vecinos. La red de comunicación ad hoc de UAV también se conoce a veces como red instantánea de cielo de UAV. En términos más generales, las MANET aéreas en UAV ya están implementadas y operativas con éxito (a partir de 2021) como mini UAV de reconocimiento táctico ISR como el BRAMOR C4EYE de Eslovenia.

Los buques de la Armada tradicionalmente utilizan comunicaciones por satélite y otras radios marítimas para comunicarse entre sí o con estaciones terrestres en tierra. Sin embargo, estas comunicaciones se ven limitadas por retrasos y ancho de banda reducido. Las redes inalámbricas ad hoc permiten la formación de redes de área de buques en alta mar, lo que posibilita comunicaciones inalámbricas de alta velocidad entre buques, mejora el intercambio de imágenes y datos multimedia, y una mejor coordinación en operaciones en el campo de batalla. ^{[ 29 ]} Algunas empresas de defensa (como Rockwell Collins, Silvus Technologies y Rohde & Schwartz) han desarrollado productos que mejoran las comunicaciones entre buques y entre buques y tierra. ^{[ 30 ]}

Los sensores son dispositivos útiles que recopilan información relacionada con un parámetro específico, como ruido, temperatura, humedad, presión, etc. Cada vez más, los sensores se conectan de forma inalámbrica para permitir la recopilación a gran escala de datos. Con una gran muestra de datos de sensores, se puede utilizar el procesamiento analítico para interpretar estos datos. La conectividad de las redes de sensores inalámbricos se basa en los principios de las redes inalámbricas ad hoc, ya que ahora los sensores se pueden implementar sin torres de radio fijas y pueden formar redes sobre la marcha. "Smart Dust" fue uno de los primeros proyectos realizados en UC Berkeley, donde se utilizaron pequeñas radios para interconectar polvo inteligente. ^{[ 31 ]} Más recientemente, las redes de sensores inalámbricos móviles (MWSN) también se han convertido en un área de interés académico.

Se han realizado esfuerzos para coordinar y controlar un grupo de robots para que realicen un trabajo colaborativo y completen una tarea. El control centralizado suele basarse en un enfoque de "estrella", donde los robots se turnan para comunicarse con la estación de control. Sin embargo, con las redes inalámbricas ad hoc, los robots pueden formar una red de comunicación sobre la marcha, es decir, ahora pueden "hablar" entre sí y colaborar de forma distribuida. ^{[ 32 ]} Con una red de robots, estos pueden comunicarse entre sí, compartir información local y decidir de forma distribuida cómo resolver una tarea de la manera más eficaz y eficiente. ^{[ 33 ]}

Otro uso civil de las redes inalámbricas ad hoc es la seguridad pública. En caso de desastres (inundaciones, tormentas, terremotos, incendios, etc.), se requiere una red de comunicación inalámbrica rápida e instantánea. Especialmente durante terremotos, cuando las torres de radio se han derrumbado o destruido, se pueden formar redes inalámbricas ad hoc de forma independiente. Los bomberos y rescatistas pueden usar estas redes para comunicarse y rescatar a los heridos. Existen radios comerciales con esta capacidad disponibles en el mercado. ^{[ 29 ] [ 34 ]}

Las redes inalámbricas ad hoc permiten desplegar e interconectar de forma inalámbrica sensores, vídeos, instrumentos y otros dispositivos para la monitorización de pacientes en clínicas y hospitales, la notificación de alertas a médicos y enfermeras, y también para interpretar rápidamente dichos datos en puntos de fusión, de modo que se puedan salvar vidas. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Las MANET se pueden utilizar para facilitar la recopilación de datos de sensores para la minería de datos en diversas aplicaciones, como la monitorización de la contaminación atmosférica , y se pueden utilizar diferentes tipos de arquitecturas para dichas aplicaciones. ^{[ 37 ]} Una característica clave de estas aplicaciones es que los nodos de sensores cercanos que monitorizan una característica ambiental suelen registrar valores similares. Este tipo de redundancia de datos, debido a la correlación espacial entre las observaciones de los sensores, inspira las técnicas de agregación y minería de datos en red. Al medir la correlación espacial entre los datos muestreados por diferentes sensores, se puede desarrollar una amplia gama de algoritmos especializados para crear algoritmos de minería de datos espaciales más eficientes, así como estrategias de enrutamiento más eficientes. ^{[ 38 ]} Además, los investigadores han desarrollado modelos de rendimiento para MANET para aplicar la teoría de colas . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

El atractivo evidente de las MANET radica en su descentralización y la movilidad de sus nodos/dispositivos; es decir, la ausencia de infraestructura fija, lo que posibilita numerosas aplicaciones en diversos ámbitos, como la monitorización ambiental , la asistencia en casos de desastre y las comunicaciones militares. Desde principios de la década de 2000, el interés por las MANET ha aumentado considerablemente, en parte debido a que la movilidad puede mejorar la capacidad de la red, como demostraron Grossglauser y Tse, junto con la introducción de nuevas tecnologías. ^{[ 44 ]}

Una de las principales ventajas de las redes descentralizadas es que suelen ser más robustas que las redes centralizadas debido a la transmisión de información mediante múltiples saltos. Por ejemplo, en una red celular, la cobertura disminuye si una estación base deja de funcionar; sin embargo, en una MANET, la probabilidad de un único punto de fallo se reduce significativamente, ya que los datos pueden seguir múltiples rutas. Dado que la arquitectura de la MANET evoluciona con el tiempo, tiene el potencial de resolver problemas como el aislamiento o la desconexión de la red. Otras ventajas de las MANET sobre las redes con topología fija incluyen flexibilidad (se puede crear una red ad hoc en cualquier lugar con dispositivos móviles), escalabilidad (es fácil añadir nodos a la red) y menores costes de administración (no es necesario construir una infraestructura previamente). ^{[ 45 ] [ 46 ]}

Con una red que evoluciona con el tiempo, es claro que debemos esperar variaciones en el rendimiento de la red debido a la falta de una arquitectura fija (sin conexiones fijas). Además, dado que la topología de la red determina la interferencia y, por lo tanto, la conectividad, el patrón de movilidad de los dispositivos dentro de la red impactará en el rendimiento de la red, posiblemente resultando en que los datos tengan que reenviarse muchas veces (mayor retardo) y, finalmente, la asignación de recursos de red como la energía sigue siendo incierta. ^{[ 44 ]} Finalmente, encontrar un modelo que represente con precisión la movilidad humana y que a la vez sea matemáticamente manejable sigue siendo un problema abierto debido a la gran variedad de factores que la influyen. ^{[ 47 ]} Algunos modelos típicos utilizados incluyen los modelos de paseo aleatorio, punto de ruta aleatorio y vuelo de Lévy. ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ]}

• Uso de espectro de frecuencias no autorizado, lo que contribuye a la contaminación del espectro radioeléctrico .

Este tipo de protocolos mantiene listas actualizadas de destinos y sus rutas mediante la distribución periódica de tablas de enrutamiento por toda la red. Las principales desventajas de estos algoritmos son:

• Cantidad respectiva de datos para mantenimiento.
• Reacción lenta ante la reestructuración y los fracasos.

Ejemplo: Protocolo de enrutamiento de estado de enlace optimizado (OLSR)

Este tipo de protocolo encuentra una ruta en función de la demanda del usuario y del tráfico, inundando la red con paquetes de solicitud o descubrimiento de ruta. Las principales desventajas de estos algoritmos son:

• Alto tiempo de latencia en la búsqueda de rutas.
• Las inundaciones excesivas pueden provocar la obstrucción de la red. ^{[ 55 ]}

Sin embargo, la agrupación en clústeres puede utilizarse para limitar la inundación de tráfico. La latencia que se produce durante el descubrimiento de rutas no es significativa en comparación con los intercambios periódicos de actualización de rutas entre todos los nodos de la red.

Ejemplo: Enrutamiento vectorial de distancia bajo demanda ad hoc (AODV)

Este tipo de protocolo combina las ventajas del enrutamiento proactivo y reactivo . El enrutamiento se establece inicialmente con algunas rutas prospectadas de forma proactiva y luego atiende la demanda de nodos activados adicionalmente mediante inundación reactiva. La elección de uno u otro método requiere predeterminación para casos típicos. Las principales desventajas de estos algoritmos son:

1. La ventaja depende del número de otros nodos activados.
2. La reacción a la demanda de tráfico depende del gradiente del volumen de tráfico. ^{[ 56 ]}

Ejemplo: Protocolo de enrutamiento por zonas (ZRP)

Los métodos de enrutamiento basados ​​en la posición utilizan información sobre la ubicación exacta de los nodos. Esta información se obtiene, por ejemplo, mediante un receptor GPS . A partir de la ubicación exacta, se puede determinar la mejor ruta entre los nodos de origen y destino.

Ejemplo: "Enrutamiento asistido por localización en redes móviles ad hoc" ( LAR )

En 2009, el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. (ARL) y el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) desarrollaron un banco de pruebas de emulación de redes móviles ad hoc , donde los algoritmos y las aplicaciones se sometieron a condiciones representativas de redes inalámbricas. El banco de pruebas se basó en una versión del software "MANE" (Mobile Ad hoc Network Emulator), desarrollado originalmente por el NRL. ^{[ 60 ]}

El modelo tradicional es el grafo geométrico aleatorio . Los primeros trabajos incluyeron la simulación de redes móviles ad hoc en topologías dispersas y densamente conectadas. Los nodos se distribuyen aleatoriamente en un espacio físico restringido. Cada nodo tiene un tamaño de celda fijo predefinido (alcance de radio). Se dice que un nodo está conectado a otro si este vecino se encuentra dentro de su alcance de radio. Posteriormente, los nodos se mueven (migran) según un modelo aleatorio, utilizando un paseo aleatorio o movimiento browniano. La diferente movilidad y el número de nodos presentes dan como resultado diferentes longitudes de ruta y, por lo tanto, diferentes números de saltos múltiples.

Estos son grafos que consisten en un conjunto de nodos colocados según un proceso de puntos en algún subconjunto generalmente acotado del plano n-dimensional , acoplados mutuamente según una función de probabilidad booleana de su separación espacial (véase, por ejemplo, los grafos de disco unitario ). Las conexiones entre nodos pueden tener diferentes pesos para modelar la diferencia en las atenuaciones del canal. ^{[ 58 ]} Se pueden entonces estudiar observables de red (como la conectividad , ^{[ 61 ]} la centralidad ^{[ 62 ]} o la distribución de grados ^{[ 63 ]} ) desde una perspectiva de teoría de grafos . Se pueden estudiar además protocolos y algoritmos de red para mejorar el rendimiento y la equidad de la red. ^{[ 58 ]}

El establecimiento y la gestión de la confianza en las MANET presentan desafíos debido a las limitaciones de recursos y la compleja interdependencia de las redes. La gestión de la confianza en una MANET requiere considerar las interacciones entre las redes cognitivas, sociales, de información y de comunicación compuestas, y tener en cuenta las limitaciones de recursos (por ejemplo, potencia de cálculo, energía, ancho de banda, tiempo) y la dinámica (por ejemplo, cambios de topología, movilidad de nodos, fallos de nodos, condiciones del canal de propagación). ^{[ 66 ]}

Los investigadores de la gestión de la confianza en MANET sugirieron que tales interacciones complejas requieren una métrica de confianza compuesta que capture aspectos de las comunicaciones y las redes sociales, y los correspondientes esquemas de medición, distribución y gestión de la confianza. ^{[ 66 ]}

La monitorización continua de cada nodo dentro de una MANET es necesaria para la confianza y la fiabilidad, pero es difícil porque, por definición, es discontinua, 2) requiere información del propio nodo y 3) de sus pares "cercanos".