A Arquitetura WAVE

A fim de prover mecanismos escaláveis e eficientes, bem como adequar futuras soluções de acordo com as restrições e necessidades das redes VANETs, fez-se necessário aplicar mudanças nas tecnologias de redes sem fio, em especial no padrão 802.11. O padrão que está sendo especificado é definido como IEEE 802.11p WAVE (Wireless Access in Vehi- cular Environment) [82]. Estão definidos no padrão IEEE 802.11p as camadas físicas e de controle de acesso ao meio (MAC) para redes veiculares. Entretanto, a arquitetura WAVE não está restrita apenas a estas camadas, como ilustrada na Figura 2.4. Estão definidas nos padrões da família IEEE 1609 outras camadas da pilha de protocolos, in- cluindo uma camada de rede alternativa à camada IP, características de segurança para aplicações DSRC e operação em múltiplos canais de comunicação.

O padrão WAVE está definido em seis documentos, a saber: IEEE P1609.1, IEEE P1609.2, IEEE P1609.3, IEEE P1609.4, IEEE 802.11 e IEEE 802.11p. Estão descritos nos documentos todos os requisitos para proporcionar comunicações V2V e V2I. O ob- jetivo é prover interoperabilidade entre diferentes fabricantes de automóveis e soluções a serem executadas nos ambientes veiculares. A seguir são descritos os principais aspectos

Figura 2.4: Pilha de Protocolos WAVE (Adaptada de [83]). presentes em cada especificação.

• IEEE P1609.1: são definidos os serviços e interfaces da aplicação de Gerenciamento de Recursos da arquitetura WAVE;

• IEEE P1609.2: são definidos os formatos e processamento seguros de mensagens. Para tal, são delineados aspectos como Infraestrutura de Chaves Públicas (PKI) e certificação digital. Nesse contexto, Autoridades de Certificação são propostas, cujo objetivo é autorizar/desautorizar outras entidades da rede através da emissão ou revogação de certificados digitais. Tais certificados têm como base algoritmos assimétricos, mais especificamente o modelo de Curvas Elípticas (ECDSA) [69]. Além disso, é especificado um conjunto de veículos de segurança pública, denomi- nado OBUs (do inglês, On-Board Unit) de Segurança Pública (Public Safety OBUs - PSOBUs). As PSOBUs serão embarcados em veículos relacionados à segurança pública, tais como viaturas de polícia e bombeiros;

• IEEE P1609.3: são especificados os serviços de controle de enlace lógico (Logical Link Control - LLC), de rede e de transporte, incluindo endereçamento e roteamento. A comunicação WAVE pode utilizar o IPv6 ou mensagens curtas WAVE (WAVE Short Messages - WSM), uma alternativa que tem como objetivo proporcionar maior eficiência. O plano de dados definido no padrão 1609.3 consiste em quatro serviços: controle de enlace lógico, o protocolo de rede IPv6, os protocolos de transporte

UDP e TCP, e o protocolo WSMP (WAVE Short Message Protocol), que ocupam as camadas de transporte e de rede;

• IEEE P1609.4: são propostas modificações no padrão IEEE 802.11 para a operação em múltiplos canais, uma vez que está definida na arquitetura WAVE a utilização de um canal de controle e múltiplos canais de serviço. Um dispositivo que segue o padrão WAVE deve monitorar o canal de controle à espera de requisições de serviços WAVE que contém o número do canal de serviço a ser utilizado pelo serviço WAVE; • IEEE 802.11p: O padrão IEEE 802.11p é uma extensão da família de protocolos IEEE 802.11 e baseia-se, principalmente, na extensão IEEE 802.11a, porém, opera na faixa DSRC de 5,9 GHz. Mais detalhes sobre o padrão podem ser encontrados em [81, 84–86].

A camada física define como os dados são modulados em sinais que são transmitidos em ondas eletromagnéticas. O padrão 802.11 faz uso do esquema de multiplexação por divisão de frequência (OFDM, do inglês Orthogonal frequency-division multi- plexing), com taxas de transferência entre 3 e 27 Mbps (para canais de 10 MHz). São detalhadas na Tabela 2.1 as taxas de dados, tipos de modulações, e potência mínima recebida de acordo com o padrão IEEE 802.11. Como exemplo, com taxas de transmissão de 3 Mbps, utilizando modulação BPSK e taxas de codificação 1/2 deve ser viável com potência mínima recebida igual a -85 dBm.

Tabela 2.1: Taxas de dados, modulações e potências mínimas recebidas no padrão IEEE 802.11 para canais de 10 MHz.

Taxas (Mbps) Modulação Taxa de Codificação Potência Mínima Recebida (dBm) 3 BPSK 1/2 -85 4,5 BPSK 3/4 -84 6 QPSK 1/2 -82 9 QPSK 3/4 -80 12 16-QAM 1/2 -77 18 16-QAM 3/4 -73 24 64-QAM 2/3 -69 27 64-QAM 3/4 -68

sagens definidos pelo padrão WAVE, a saber: periódicas (beacon) e baseadas em eventos (esporádicas) [87, 88]. No primeiro caso, veículos transmitem mensagens periodicamente para informar dados como velocidade, direção e posição atuais. Tais mensagens são trans- mitidas a partir do modelo de único salto (one-hop) e para todos os nós no raio de trans- missão Rt do veículo transmissor.

Por outro lado, mensagens esporádicas têm como objetivo alertar veículos sobre pos- síveis situações de perigo, tais como pistas escorregadias, frenagens brusca de veículos à frente, obstáculos nas vias - tais como veículos parados -, notificação de limites de veloci- dade nas vias, entre outras. Tais mensagens são consideradas de alta prioridade e devem ser transmitidas considerando com baixa latência e alta confiabilidade.

Formalmente, uma rede VANET constituída por mensagens periódicas pode ser repre- sentada pela tupla G = hV, Ei em que V representa o conjunto de nós (veículos e RSUs) no espaço euclidiano e E ✓ V2_{. Todos os links de comunicação diretos entre pares de nós}

ni e nj (i 6= j), representado por edge(ni, nj) são constituídos a partir da Definição 1:

Definição 1. Dada uma rede G = hV, Ei, existirá um par de nós comunicantes (ni, nj)2

E se, e somente se, a distância euclidiana entre as posições de ni e nj, representadas

por P OSni e P OSnj é menor que o raio de transmissão Rt dos rádios de ni e nj, isto é,

E ={(ni, nj)2 V2|(P OSni P OSnj) Rt}.

Do ponto de vista de um nó nc, uma rede VANET constituída a partir da Definição 1

pode ser estendida a partir da Definição 2.

Definição 2. Do ponto de vista de um veículo arbitrário nc, uma rede Gc é constituída

por todos os nós nj 2 V que satisfazem a condição que constituem o conjunto E. Desta

forma, Ec é o conjunto de pares de nós comunicantes com o nó nc, formando a rede

Gc =hV, Eci.

Devido à velocidade dos veículos, a periodicidade de transmissão de mensagens beacon deve variar entre 100 ms e 300 ms, dependendo de parâmetros de qualidade de serviço (QoS) desejados. Nesse contexto, Nguyen et al [89] observaram que o envio demasiado de mensagens periódicas em redes com alta densidade de veículos pode implicar em maiores atrasos e baixa recepção de mensagens.

Nesta mesma linha de raciocínio, Sommer et. al. [90] também avaliaram que a perio- dicidade de envio de mensagens dependerá da qualidade do canal de transmissão, a qual considera parâmetros como o número de nós no raio de transmissão, o número de colisões de pacotes que ocorreram, e o valor da relação sinal-ruído (SNR, do inglês, Signal to Noise Ratio).

Nas seções a seguir são apresentados potenciais cenários de aplicação e projetos exis- tentes para redes veiculares que têm como base o uso de mensagens periódicas, bem como

de mensagens baseadas em eventos.