A fim de definir a melhor estratégia de varredura que garanta a cobertura da área de impacto em tempo hábil, assegurando ao mesmo tempo uma comunicação confiável e de qualidade entre a esquadrilha e a estação base de controle, serão comparadas as duas estratégias propostas. A comparação é sumarizada na Tabela 3.1.
Para as duas estratégias, o tempo de varredura de uma área é proporcional à quantidade de VANTs utilizados. O tamanho máximo da área a ser monitorada, quando a mesma não é subdividida, é restrito pelo alcance de transmissão do VANT utilizado como hub, mais a distância das aeronaves definida pelo sistema de captura de imagens.
Quando a área não é subdividida, o sistema depende de pelo menos um link dedicado e robusto entre a estação base de controle e o VANT que funcionará como hub e envia os dados para a mesma. Nesse esquema, a comunicação dos VANTs restantes com a estação de controle é intermediada pelo VANT hub. Para uma comunicação confiável, o ideal é que os outros VANTs se comuniquem com o hub através de uma rede configurada em uma topologia estrela coordenada pelo hub. Alternativamente, quando a área é subdividida, o tamanho da área a ser varrida pode ser maior, sendo esse definido pela soma das distâncias do raio de alcance de transmissão de cada nó. Assim a informação pode ser roteada de aeronaves distantes até a estação base de controle adotando uma topologia de rede mesh. O dado é enviado de nó em nó até chegar ao destino final.
Na estratégia de varredura sem subdivisão da área, com os nós próximos, o tempo para reorganizar a rede se torna menor, quando ocorrer a falha de um nó, bastando reconfigurar a formação. Como os nós estão próximos, o gasto de energia envolvido na transmissão de sinais é menor, pois menos potência é requerida, podendo até aumentar a capacidade da banda para transmissão de dados. Na estratégia em que a área é subdividida, como os nós estão mais distantes, em caso de falha de um deles, a área remanescente ainda não monitorada deve ser subdividida novamente entre os nós restantes. Além disso, devido à distância entre os nós, uma maior potência de transmissão deve ser disponibilizada a todos os VANTs.
Considerando o comportamento da rede para cada estratégia proposta, assim como as características especificas da aplicação abordada, onde poucos nós são disponíveis, adotou-se estudar uma estratégia de varredura sem subdivisão da área a ser monitorada, pelo menos em um primeiro momento. Isso se deve ao pequeno número de VANTs dis-
3.4. ANÁLISE COMPARATIVA ENTRE AS ESTRATÉGIAS DE VARREDURA 33
Característica
Formação FANET,
Sem subdivisão de
área
Formação FANET,
Com subdivisão de
área
Formação Nós próximos, em funçãoda abertura da câmera.
Nós distantes, em função do alcance do radio. Tempo para varredura da
área
Proporcional à quantidade de nós.
Proporcional à quantidade de nós.
Tamanho da área monito- rada
Limitada pelo alcance de rádio do VANT hub.
Pode ser estendida com VANTs fora do alcance através de rede Mesh. Tipo de comunicação / Ro-
teamento
Estrela ou Mesh, pouca
modificação de design. Mesh. Topologia da Rede entre
VANTs (nós) Estrela ou Mesh Mesh
Topologia da Rede entre VANTs e Estação Base
Estrela, necessário um nó hubcom capacidade de co- municar em toda a área com a Estação Base.
Mesh, maior capacidade de alcance de comunicação fim a fim.
Distância entre nós Curta distância. Longa distância. Tempo de Interrupção na
falha do nó Baixo Alto
Reorganização em caso de falha do nó
Pouco custo operacional independente de método de varredura.
Médio no método vai e volta e alto no método es- piral.
Consumo de Energia Baixo nos dispositivos fi- nais.
Médio / Alto nos Roteado- res e coordenadores
Tipo de Nós
Para Estrela: 1 ou 2 Coor- denadores, 1 roteador e o restante dispositivo final.
1 ou 2 coordenadores o res- tante Roteadores.
Aplicação
O importante é o tempo de varredura. Precisa de um nó com maior capacidade de transmissão e processa- mento.
Áreas de varredura maio- res. Os nós têm a mesma capacidade de transmissão e roteamento.
Tabela 3.1: Característica da rede de comunicação do sistema multi VANT para as duas estratégias de varredura propostas
34 CAPÍTULO 3. ESTRATÉGIA DE VARREDURA
poníveis, um dos quais com um sistema de comunicação robusto e de longo alcance. Com base na estratégia escolhida, foi possível elaborar um plano de testes experimentais e estabelecer métricas para medir consumo de energia e parâmetros de rede, tais como intensidade do sinal (RSSI – Radio Signal Strength Indicator), latência, taxa de transfe- rência, taxa de perda de pacotes, jitter e overhead, para analisar o desempenho da rede de comunicações, bem como a sua confiabilidade e capacidade de reorganização quando ocorrer a adição ou remoção de nós.
No presente trabalho os testes foram executados com uma formação da esquadrilha sem a decomposição da área. Após a consolidação do sistema Multi VANT, poderá adotar um esquema onde se possa maximizar a área de varredura, sendo necessário decompor a área de varredura aumentando a distância entre os nós. Nesse cenário a qualidade do sinal e consumo de bateria passam a receber maior preocupação, principalmente sobre o mar, região ruidosa onde a transmissão do sinal sofre interferência, aumentando as taxas de erros, gerando retransmissão de mensagens e desperdício de energia (Tavares et al. 2013).
Capítulo 4
Sistema Proposto
De acordo com as considerações feitas nas seções anteriores, a rede de comunica- ção deve ser constituída por um número de aeronaves (ou nós) proporcional ao tamanho da área a ser varrida. Neste trabalho foi implementada a estratégia de varredura de área em que a mesma não é subdividida. Posteriormente, poderão ser realizados testes ado- tando uma estratégia com a subdivisão da área, que permitirá cobrir áreas maiores, mas o presente trabalho não realiza. Em ambas as estratégias, os nós têm comportamento de voo coordenado, executando rotas similares e a velocidade praticamente constante, sendo possível determinar pontos futuros e prever o comportamento da rede. Os Algoritmos de roteamento determinístico são baseados na formulação de um modelo dependente do tempo. Assim, com a primeira estratégia de varredura proposta é possível definir um plano de voo que minimize a distância entre os nós da rede para evitar problemas de perda de sinal e utilizar técnicas otimizadas de entrega de pacotes fim-a-fim, com pacotes unicast. A Figura 4.1 mostra a arquitetura de hardware, software e comunicação para a rede de comunicação Multi VANTs, detalhada a seguir.
Figura 4.1: Arquitetura do Sistema Multi VANT
Para os primeiros testes foi adotado um plano de voo com todos os nós próximos, em formação, fazendo a varredura em conjunto da área completa seguindo um padrão em espiral (como serão utilizadas poucas aeronaves, não é grande a diferença do trajeto entre o VANT mais externo e o mais interno da espiral). O voo em formação compacta tende a aumentar a segurança no transporte de dados, diminuir a perda de sinal e proporcionar um
36 CAPÍTULO 4. SISTEMA PROPOSTO
bom desempenho, com menor consumo de recursos, para que a informação seja transmi- tida até a estação base de controle a partir do VANT hub que deverá possuir capacidade de transmitir dados entre a esquadrilha e a mesma.
4.1
Arquitetura da Rede
De acordo com a estratégia de varredura adotada e os requisitos de comunicação da esquadrilha, foi escolhido o dispositivo fabricado pela Digi International Inc R
(Digi 2017), da linha XBee-PRO R 900HP S3B, modelo "XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh,
905/920MHz, 250mW, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil)", homologado pela ANATEL, mostrado na Figura 4.2. Nesse modelo, a antena é um fio (em inglês Wire) acoplado ao dispositivo. Esse modelo utiliza o padrão para roteamento e comunicação dos dados ZigBee e IEEE 802.15.4, desenvolvido pela Alliance ZigBee em conjunto com o IEEE (Institute of Electrical na Eletronics Enginners) (XBee PRO 2017).
Figura 4.2: XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil). Adaptado de (XBee PRO 2017)