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%                          Capítulo 6
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\chapter{Solución Propuesta}

\begin{FraseCelebre}
\begin{Frase}
La simplicidad es la máxima sofisticación.
\end{Frase}
\begin{Fuente}
Leonardo da Vinci.
\end{Fuente}
\end{FraseCelebre}

\begin{resumen}
...
\end{resumen}

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\section{Caseo de Estudio}
\label{cap6:sec:caso-estudio}
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En la actualidad el avance tecnológico tiene una evolución bastante acelerada, en lo tocante a sistemas digitales y tecnologías inalámbricas, debido a esto se van abriendo nuevos escenarios de estudio, algunos muy lejos de sus fundamentos electrónicos como lo es la dependencia que presenta la sociedad a la conectividad de redes de internet y/o temas más cercanos al Hardware, como la gestión inteligente y eficiente de energía o direccionamiento y enrutamiento de paquetes de datos. Un tema potente en el último siglo son las redes inalámbricas, que actualmente se presentan de forma omnisciente en la vida cotidiana ofreciendo ventajas tales como; flexibilidad de conexión frente a las redes cableadas. Estas terminolog??as entran en juego en aplicaciones donde factores geográficos, confort del usuario o económicos, impiden la utilización de redes cableadas, implicando las virtudes y premuras inherente a la utilización del espacio libre como canal. Ante la necesidad de estar vinculados en tiempo real transfiriendo información en una gran gama de escenarios, es preciso estudiar y diseñar formas de asegurar el flujo de datos en los nuevos escenarios en las que las redes inalámbricas se desempeñarán.

\subsection{Problemática}
\figura{Bitmap/nodos_estaticos}{width=1\textwidth}{fig:nodos_estaticos}%
	{Modelo de solución de conectividad mediante Router Estático.}%
\figura{Bitmap/nodos_dinamicos}{width=1\textwidth}{fig:nodos_dinamicos}%
	{Modelo de solución de conectividad mediante Router Móvil.}%
Trabajando con medios inalámbricos una condición fundamental es que la comunicación sólo puede efectuarse si se encuentran los dispositivos dentro de su área de cobertura. Si se desea establecer una conexión entre dos dispositivos inalámbricos, básicamente se pueden encontrar los siguientes escenarios: el primero es contar con una comunicación directa ( ambos nodos pertenecen área de cobertura del otro). El segundo caso cuando la distancia entre el emisor y el receptor supera el rango de cobertura, se pueden utilizar nodos intermedios que realicen enrutamientos de los paquetes de datos.
En este escenario donde un usuario requiere comunicación continua con un terminal Tekdas, Onur and Yang (Tekdas, O., Isler, V., Lim, J. H., and Terzis, A. (2009). Using mobile robots to
harvest data from sensor fields. Wireless Communications, IEEE, 16(1):22?28.) exponen que en una granja o almacén considerando escenarios de trabajo fijos, la solución es la conectividad mediante un despliegue de router estáticos, si bien es factible y utilizada comúnmente, tiene una viabilidad mermada, que en cualquier momento el conjunto de nodos necesarios para proporcionar conectividad está formado sólo por un pequeño subconjunto de todos los nodos desplegados.\\
Esto se puede apreciar en la Figura~\ref{fig:nodos_estaticos}, donde de todos los nodos desplegados, sólo los encerrados en círculos azules entregan servicio, mientras los demás no realizan acciones importante en el enlace establecido. El enfoque de una red estática puede presentar costos elevados, problemas de mantención, además del problema de robustez. Si la red posee nodos que son los únicos que pueden dar servicio de pasarela a un sub conjunto de la red para mantener una linea de comunicación, de fallar dichos nodos y no poder ser remplazados dejarídra aislado a parte de la red.
Lo que Tekdas, Onur and Yang exponen entregar conectividad mediante router móviles en la Figura~\ref{fig:nodos_dinamicos}, que disminuye drásticamente la cantidad de nodos comparado a la Figura (imagen con todos los nodos estaticos). Teniendo como primicia la eficiencia energética y costos, la opción más atractiva es la utilización de Router Robóticos que disminuye el número de unidades y permite una organización dinámica de la red. La implementanción de Router Robótico conllevando una complejidad técnica y hardware mayor que la soluciones tradicionales, mediante terminales estáticos que enfatizan en una baja complejidad técnica y simplicidad de hardware, pero en situaciones donde el área de trabajo cambie y/o no sea posible tener infraestructura desplegada con anterioridad, la utilización de Router Robóticos es una forma obvia de abordar el problema.\\
Si es preciso seguir un activo cualquiera sea el tipo (asegurar su conexión a una red superior) en entornos desconocidos y no en zonas de trabajo determinísticas como lo planteado anteriormente, por lo contrario, realizar labores de Tethering en escenarios como: edificios, bosques, cuevas, estructuras colapsadas etc. En entornos donde se tendría poca o nula información de las caracteristicas de la zona de trabajo, contextualizando mantener la conectividad entre unidades exploradores de adquisición de datos y un punto de recopilación de información y enlace a redes superiores(Gateway). Para realizar tal propósito Hoa G. Nguyen and Pezeshkian (Pezeshkian, N., Neff, J. D., and Hart, A. (2012). Link quality estimator for a mobile
robot. Technical report, DTIC Document.) exponen que un factor importante a considerar, el talón de Aquíles de cualquier operación táctica terrestre de campo, es la rápida degradación de la calidad de la comunicación al penetrar en el interior de edificios, túneles o cuevas. Para este problema ellos sugieren que una solución robusta es contar con un despliegue de unidades móviles, generando un conboy de robots que de redundancia de enlace a la unidad de interés. La característica de robustez en una enlace es deseable en casos donde la información es de vital importancia como: Operaciones militares terrestres, rescates, exploración y búsqueda. Todos estos escenarios caracterizados por no poder contar con una infraestructura anterior y requerir un despliegue dinámico de unidades.\\
La problemática a abordar en este trabajo es la confección de algoritmos de comportamiento para un sistema donde el enlace de datos es posible gracias a la utilización de nodos intermedios que proveen enrutamiento (Router Robótico), considerando además que su comportamiento no es aleatorio, a lo menos uno de las unidades finales(Target o Gateway) son robots autónomos móviles de comportamiento aleatorio. Con lo mencionado se puede inferir dos problemáticas: La primera es que el sistema es una red inalámbrica móvil, lo que conlleva inconvenientes de pérdida de conexión o calidad de enlace debido a que la posición de los robots es dinámica. La segunda problemática se relaciona con el anclaje de red, proceso por el cual un dispositivo inalámbrico móvil actúa como pasarela para ofrecer conectividad de datos a otros dispositivos (Tethering), mediante nodos inalámbricos móviles equipados con algoritmos de control y tomando como parámetros de calidad de señal valores entregados por los dispositivos transceptores. Se pretende dar un servicio de exploración o aseguramiento de terreno donde uno o varios robots exploradores parten de un punto fijo o base a explorar una zona aledaña. Un ejemplo particular es en circunstancias donde se requiere explorar zonas de riesgo para las personas como estructuras colapsadas, que debido a la irregularidad del terreno impiden una conexión simple, entran en juego la utilización de robots que actúan como Router Móviles asegurando la estabilidad del enlace entre la base y él o los robots exploradores.

\subsection{Alcances}
Al desarrollar algoritmos de aseguramiento de enlace de comunicación inalámbrica mediante una colonia de robots, se presentan variadas restricciones que dependen del medio fisico y Hardware que se desea implementar. Debido a la infinita posibilidad de escenarios virtuales este trabajo sólo se abordará una temática ya estudiado por un compañero de la misma casa de estudio, para mayores especificaciones se puede ver el documento de tesis (ref tesis palma). 
\subsection{Segmentación del Problema}

En la problemática de brindar Aseguramiento de Conexión a un Dispositivo Mediante el Despliegue Dinámico de Robots Enrutadores, se plantea la siguiente segmentación del problema en función del análisis de las prestaciones del software de simulación y las consideraciones propuestas para el modelo de estudio. Se identifican tres sub-problemas: Representación de una Estación Base de comunicación, Comportamiento Individual de nodos de repetición móviles (mantención de vínculos) y trayectoría del robot principal (tipo de instrucciones a seguir).

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\section{Esquema General}
\label{cap6:sec:esquema-general}
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Por comportamiento general se entiende la inteligencia que planifica el funcionamiento del conjunto total de elementos que conforman el sistema (colonia de robots). Comprende los algoritmos que permiten realizar tareas como: activación y desactivación de enlaces, determinación de vínculos prioritarios, interconexión entre diferentes link de comunicaciones. Todo esto en función de mantener una topología deseada.\\
La Figura (figura de enlace Base - RR -  RE) ilustra dos posibles escenarios que la Inteligencia Colectiva debería administrar. Un primer escenario es un link de comunicación simple presentando una unidad Target y Gateways, conectados mediante dos Gangeway, red de vínculos verde. Un segundo escenario expuesto por la red identificada por sus vínculos de color rojo, cada nodo posee más de un vínculo de comunicación. Una tercera posibilidad es que la red tenga dos unidades objetivos Targets, ejemplo caracterizado por la red de vínculos azules. Es posible identificar en las redes expuesta: Nodos vinculados a dos exploradores GG nz , Nodos que dan servicio de pasarela a dos redes GG nx , Nodos críticos que de perder conectividad inhabilita a la red GG np y Nodos enrutadores pero de carácter estáticos GG nh .La figura (figura de enlace Base - RR -  RE) expone tres topologías de red puntuales, además se pueden presentar variadas iterconexiones entre los terminales generando nuevos escenarios, esto se debe ha que las unidades son móviles. El Comportamiento General son los mecanismos de control, algoritmos que gobiernen las acciones del sistema. Dicha inteligencia debe ser capaz de administrar y solucionar temas como: concurrencia, designación de vínculos, Tablas de ruteo, Identificación de unidades redundantes innecesarias y activación de unidades adicionales. Los problemas mencionados, entre otros, son los que se deberán afrontar al diseñar una estrategia de Comportamiento General.


%Para que un modelo de aseguramiento de enlace mediante una colonia de robot móviles que presentan diferentes problemáticas a tratar para dar una solución completa. Los esfuerzos en el presente trabajo de t??tulo se centrarán en generar un modelo de Router Robótico. Este trabajo no contemplará las problemáticas: Comportamiento General y Densidad de Despliegue, el número de unidades óptimas por distancia, la vinculación dinámica de las unidades, administración de los link de comunicación entre otros. Los link serán designados arbitrariamente enfatizando en el diseño de algoritmos de control que permitan a un Agente Autónomo (Router Robótico) ser capaz de modificar su ubicación espacial. Sus desplazamientos tienen la finalidad de dirigirse a una zona donde pueda cumplir sus funciones de enrutador de mejor forma. La Figura 4.5 representa un modelo a estudiar; una unidad Gangway estática señalada como Base , una unidad Target señalada como Explorador y tres Unidades Ganegay Robotic Router. Todas unidades homogéneas y están vinculadas mediante enlaces simple. El modelo de prueba final contempla tres unidades Gangway de manera de representar las diferentes posibilidades de interacciones en un sistema. Las interacciones a estudiar son en referencia al carácter de las unidades que estén vinculadas al Robotic Router, teniendo las siguientes posibilidades de vinculación expuestas en la Figura 4.5. ellas son tres: La primera GG 1 vinculado a una unidad estática y a un Router Robótico. La segunda es GG 2 vinculado a dos Router Robóticos. Y por último la tercera es GG 3 vinculado a una unidad de comportamiento aleatorio (explorador) y a un Router Robótico. Es posible tener un nodo robótico vinculado a una unidad Base y un Explorador. Caso no atractivo porque hace referencia a una red compuesta por tres unidades solamente(Base-Nodo Móvil-Explorador). La forma de concebir la red por los Gangway es inspirada en la estrategia de Topolog??a de Rasimo de Prashant P. Reddy and Manuela M. Veloso [41] donde cada nodo tendrá dos v??nculos llamados: v??nculo superior y v??nculo inferior (v??nculos prioritarios). Las acciones que realice el Gangway (GG n ) están determinadas por las caracter??sticas que presenten sus v??nculos superior e inferior. Sus acciones no son realizadas para mejorar la topolog??a general de la red, solamente actúan en referencia a sus v??nculos prioritarios. El nodo podr??a ser capaz de escuchar y ser escuchado por todas las unidades de la red y adquirir un panorama general de la red, pero para la toma de acciones de control tal información no la contemplará. En la Figura 4.5 para el nodo GG 2 están marcados los v??nculos, siendo el v??nculo superior V s establecido con GG 3 y el inferior V i . El modelo de topolog??a de Racimo unido a una estrategia de control de aprendizaje por refuerzo Q-earning demuestra que es efectivo para problemas de Tethering particular en trabajo [41].



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\subsection{Estructura}
\label{cap6:ssec:estructura}
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Para efectos prácticos y de simplicidad, el programa general solicitará 3 a 4 parámetros de entrada:
\begin{itemize}
\item Cantidad de \RRA : este parámetro que dará al world la cantidad específica a generar de \RRA y el alcance máximo de la simulación.~\ref{cap6:ssec:RRA}
\item Inteligencia a utilizar: consta de un archivo que tendrá una entrada al sistema de \IA o Machine Learning programado en cada \RRA .~\ref{cap6:ssec:machine-learning}
\item Trayectoria del Robot Explorador: Definición del trayecto a realizar por el Robot Explorador.~\ref{cap6:ssec:RE}
\item Función de trayectoría: Polinómio de la trayectoria que debe seguir el Robot Explorador que por definición tendrá sólo valores positivos. (Opcional)
\end{itemize}
\begin{verbatim}
user@user:roslaunch nombre_programa NºRRA Archivo_IA_ML.txt Trayectoría Funcion_P(x)

Ejemplo 1:
user@user:roslaunch nombre_programa 3 Q-Learning.txt Aleatoria 

Ejemplo 2:
user@user:roslaunch nombre_programa 10 Q-Learning.txt Funcion F(t)=2t

\end{verbatim}


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\section{Robots a utilizar}
\label{cap6:sec:robots-a-utilizar}
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\subsection{Estación Base}
\figura{Bitmap/REB}{width=.6\textwidth}{fig:REB}%
	{Panther Pionner.}%
Debido a que el programa Gazebo no permite dar características funcionales a los objetos, se propone optar por utilizar un robot de forma estática para así representar una estación base de comunicación y poder llevar a cabo la simulación. El robot para cumplir esta función será el mostrado en la figura~\ref{fig:REB}.


\subsection{Robot Router Autónomo}
\label{cap6:ssec:RRA}

	
\figura{Vectorial/Mov_RRA}{width=.6\textwidth}{fig:EsqMovRRA}%
       {Esquema de movimiento del Robot Router Autónomo.}
       
Para efectos prácticos de estudio el \RRA debe ser un robot omni-direccional teniendo en cuenta el esquema de la figura~\ref{fig:EsqMovRRA}. Además dado que gazebo puede utilizar robots comerciales reales cuyo URDF es compartido por la comunidad, en la mayoría de los casos, se optará por utilizar el robot de la figura~\ref{fig:RRA} que se encuentra en \nocite{RRA}.
\\
\figura{Bitmap/RRA}{width=.6\textwidth}{fig:RRA}%
	{Mecanum Robot MPO-500.}%
Además cabe mencionar que según la cantidad de \RRA ($RRA$) se calculará la distancia máxima de recorrido ($R_{max}$) del robot explorador, para evitar la cantidad de \RRA utilizados debido a las limitaciones de simulación, multiplicado por la distancia máxima de enlace de comunicación individual de cada $RRA$ ($DC_{max}$)siguiendo la ecuación:$$R_{max} = (RRA_n + 1) * DC_{max}$$ 

\subsection{Robot Explorador}
\label{cap6:ssec:RE}

\figura{Bitmap/REA}{width=.6\textwidth}{fig:REA}%
       {Robot SUMMIT XL.}%
Cuando se habla de exploración muchas veces el robot explorador tiene que ser robusto ante escenarios adeversos, es por esto que se propone utilizar un robot denominado Ground debido a su existencia comercial \nocite{REA} y es mostrado en la figura~\ref{fig:REA}.
       
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\section{Código comunicación}
\label{cap6:sec:codigo-comunicacion}
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\figura{Vectorial/Esquema_General}{width=.8\textwidth}{fig:Esq_Grl}%
	{Esquema General de Comunicación}%
Se utilizará como onda electromagnética simulada el wifi y todas sus características, el Robot Base Estación tendra comunicación directa con solo un robot, al principio será con el RE y luego sólo con los RRA como muestra la figura~\ref{fig:Esq_Grl}. Por otro lado el RRA tendrá una comunicación con más de 2 robots al mismo tiempo al ser un Gateway. Finalmente el Robot Explorador tendrá comunicación directa con un Robot pudiendo ser primero el REB y luego solo un RRA para así asegurar una buena comunicación final entre Estación Base y Explorador.


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\subsection{Machine Learning}
\label{cap6:ssec:machine-learning}
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 \figura{Vectorial/Esquema_ML}{width=.8\textwidth}{fig:EsqML}%
       {Esquema de funcionamiento de la Inteligencia Artificial.}
       
La \IA de un robot puede ser modificada sin tener que cambiar el hardware del mismo, es por esto que se propone utilizar un archivo modificable, donde la entrada es la magnitud de la señal RSSI y la salida es el movimiento en cualquiera de las direcciones posibles como muestra la figura~\ref{fig:EsqML}.




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\section*{\ProximoCapitulo}
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\TocProximoCapitulo

...

% Variable local para emacs, para  que encuentre el fichero maestro de
% compilación y funcionen mejor algunas teclas rápidas de AucTeX
%%%
%%% Local Variables:
%%% mode: latex
%%% TeX-master: "../Tesis.tex"
%%% End:
