Análise de desempenho de rede de comunicação para um sistema multi VANT aplicado à varredura de área de impacto de foguetes

Texto

(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE. U NIVERSIDADE F EDERAL DO R IO G RANDE DO N ORTE C ENTRO DE T ECNOLOGIA P ROGRAMA DE P ÓS -G RADUAÇÃO EM E NGENHARIA E LÉTRICA E DE C OMPUTAÇÃO. Análise de Desempenho de Rede de Comunicação para um Sistema Multi VANT Aplicado à Varredura de Área de Impacto de Foguetes. Maurício Rabello Silva. Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina. Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação da UFRN (área de concentração: Engenharia de Computação) como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Ciências.. Número de ordem PPgEEC: M508 Natal, RN, dezembro de 2017.

(2) Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN Sistema de Bibliotecas - SISBI Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede Silva, Maurício Rabello. Análise de desempenho de rede de comunicação para um sistema multi VANT aplicado à varredura de área de impacto de foguetes / Maurício Rabello Silva. 2017. 100 f.: il. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação. Natal, RN, 2017. Orientador: Prof. Dr. Pablo Javier Alsina.. 1. Rede de Comunicação - Dissertação. 2. Sistemas Multi-VANT - Dissertação. 3. FANET - Dissertação. 4. Protocolo ZigBee - Dissertação. 5. Desempenho de Rede - Dissertação. 6. Gerência de Rede - Dissertação. I. Alsina, Pablo Javier. II. Título. RN/UF/BCZM. CDU 004.7.

(3) Análise de Desempenho de Rede de Comunicação para um Sistema Multi VANT Aplicado à Varredura de Área de Impacto de Foguetes. Maurício Rabello Silva. Dissertação de Mestrado aprovada em 01 de dezembro de 2017 pela banca examinadora composta pelos seguintes membros:. Prof. Dr. Pablo Javier Alsina (orientador) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN. Prof. Dr. Adelardo Adelino Dantas de Medeiros . . . . . . . . . . . . . . . . DCA/UFRN. Prof. Dr. Marcelo Borges Nogueira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ECT/UFFN. Prof. Dr. Felipe Denis Mendonça de Oliveira . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DCC/UERN.

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(5) À minha Família, Ana, Gabriel e Mateus, pela paciência durante a realização deste trabalho..

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(7) Agradecimentos. Ao meu orientador, professor Pablo Alsina, sou grato pela orientação. Aos professores Felipe Denis Mendonça de Oliveira, Adelardo Adelino Dantas de Medeiros e Marcelo Borges Nogueira, pela participação na banca de examinadora deste trabalho Aos participantes do projeto SPACEVANT, por me auxiliarem durante todo o processo de trabalho Aos demais colegas de pós-graduação, pelas críticas e sugestões. À minha família pelo apoio durante esta jornada. À CAPES, pelo apoio financeiro..

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(9) Resumo. Pesquisas relacionadas com sistemas utilizando diversos veículos aéreos não tripulados (multi VANTs) vêm crescendo nos últimos anos. Entre os desafios enfrentados, uma rede de comunicação de dados robusta é crucial para cooperação e colaboração entre VANTs. No projeto da rede devem ser levados em conta fatores como o propósito da missão da esquadrilha, planejamento de caminho e trajetória, coleta de dados dos sensores e suprimento energético. Dessa forma, o presente trabalho apresenta a especificação de uma arquitetura de rede de comunicação de dados para uma esquadrilha de Veículos Aéreos Não Tripulados a serem utilizados na varredura da área de impacto de foguetes lançados a partir do Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI – Rio Grande do Norte). Assim, realiza-se um estudo sobre as principais características das redes de comunicação para sistemas multi VANT e as especificidades da aplicação abordada nesse projeto. São propostas duas estratégias diferentes para a varredura da área de impacto de foguetes. São analisadas as características das redes para sistemas multi VANTs mais adequadas a essas estratégias, de forma a fazer uma análise comparativa entre as mesmas e definir uma arquitetura apropriada para a aplicação. Dentro desse contexto, é proposta uma arquitetura de rede, com base em módulos XBee Pro 900HP, integrados em uma plataforma de hardware controlada por computador embarcado, equipado com GPS e placa controladora de piloto automático. É idealizado e implementado um plano de testes com os dispositivos XBee para avaliar o desempenho destes na arquitetura de rede proposta em termos de robustez, confiabilidade e economia de energia. Para aferição do desempenho nos possíveis cenários de formação da esquadrilha de VANTs são utilizados softwares de gerência de rede, visando medir a largura de banda (throughput), perda de pacotes e outros indicadores de desempenho nos links de comunicação entre os diferentes nós da rede. Palavras-chave: Sistemas Multi-VANT, FANET, Rede de Comunicação, Protocolo ZigBee, Desempenho de Rede, Gerência de Rede..

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(11) Abstract. Communication Network Performance Analysis for a Multi-UAV System Applied to Rocket Impact Area Scanning Research on Multi Unmanned Aerial Vehicle Systems (Multi-UAV) is growing in recent years. Among several scientific and technical challenges, a robust data communication network is crucial for the cooperation and collaboration between the UAVs. The network design must take into account factors such as the purpose of the mission, trajectory and path planning, sensor data collection and energy supply. In this way, the present work presents the specification of a data communication network architecture for a squadron of Unmanned Aerial Vehicles to be used in the scanning of the rocket impact area for CLBI rocket launch center (Rio grande do Norte, Brazil). Thus, a study on the main characteristics of communication networks for multi-UAV systems and the specificities of the application addressed in this project is done. Two different strategies for the scanning of the rocket impact area are proposed. In order to do a comparative analysis between these strategies and to define an appropriate architecture for the application, the characteristics of the networks for multi-UAV systems that are more appropriate to them are analyzed. In this context, a network architecture based on Xbee Pro 900HP S3B modules, integrated in an embedded computer hardware platform, equipped with GPS and autopilot controller board is proposed. A test plan with Xbee devices is conceived and implemented in order to evaluate their performance in the proposed network architecture in terms of robustness, reliability and energy consumption. In order to measure performance in the possible UAV squad formation scenarios, a network management software is used to measure throughput, packet loss and other performance indicators in the communication links between the different nodes of the network. Keywords: Multi-UAV Systems, FANET, Communication Network, ZigBee Protocol, Network Performance, Network Management..

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(13) Sumário. Sumário. i. Lista de Figuras. iii. Lista de Tabelas. v. Lista de Símbolos e Abreviaturas. vii. 1. Introdução 1.1 O projeto SPACEVANT I e II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Contribuições . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Organização do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 2 4 4. 2. Embasamento Teórico 2.1 Gerência de Desempenho de uma Rede sem fio. . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Redes de Comunicação para VANTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Comparando características de redes sem fio MANET, VANET e Rede para Sistemas Multi VANTs (FANET). . . . . . . . . . . . 2.2.2 Caracterizando uma Rede de VANTs (FANET). . . . . . . . . . . 2.2.3 Transporte de dados e estratégia de roteamento. . . . . . . . . . . 2.3 O sistema de processamento de imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Requisitos e protocolos para a rede de dispositivos móveis. . . . . . . . . 2.5 Arquitetura de rede com protocolo ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 O Protocolo de Comunicação da Rede ZigBee. . . . . . . . . . . 2.5.2 Camadas implementadas pelo ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.3 Topologias de uma Rede ZigBee. . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.4 Dispositivos ZigBee (XBee-PRO). . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 5 7 7 9 9 11 12 16 16 18 20 20. Estratégia de Varredura 3.1 Estratégias de Varredura da área de impacto . . . . . 3.2 Estratégia de Varredura sem decomposição da área . 3.3 Estratégia de Varredura com decomposição da área . 3.4 Análise comparativa entre as estratégias de varredura. . . . .. 27 28 29 31 32. Sistema Proposto 4.1 Arquitetura da Rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Arquitetura de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 36 36. 3. 4. i. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . ..

(14) 4.3 5. Arquitetura de Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Protocolo de Testes 5.1 Testes da Rede Sem Decomposição de Área . . . . 5.2 Arquitetura de rede dos Testes . . . . . . . . . . . 5.3 Descrição dos Cenários e o Local dos experimentos 5.4 Método para Configuração da FANET . . . . . . . 5.5 Método para Teste de Throughput . . . . . . . . . 5.6 Método para Teste de Radio Frequência (RSSI) . .. 37. . . . . . .. 41 41 42 45 48 50 50. 6. Experimentos e Resultados 6.1 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 1 . . . . . . . . . . . . . 6.2 Experimentos com os módulos Xbee no Cenário 2 . . . . . . . . . . . . . 6.3 Comparação dos resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 53 55 57. 7. Conclusão. 61. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. Referências bibliográficas. 64. A Métodos de Configuração dos Módulos Xbee A.1 Configuração: AT Command Mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A.2 Configuração: XCTU Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71 71 72. B Configurando a rede com XCTU B.1 Adicionando o módulo Xbee Explore no PC . . . . . . . . . . . . . . . . B.2 Adicionando nós na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73 74 77.

(15) Lista de Figuras. 1.1. Aeronave modelo Penguin B, utilizada no Projeto SPACEVANT. . . . . .. 3. 2.1 2.2 2.3. Composição das redes móveis Ad hoc de comunicação . . . . . . . . . . Requisito do tempo máximo para envio de uma mensagem de controle de Imagens processadas pelo Sistema de Visão. A) Imagem com duas embarcações. B) Imagem com uma embarcação. C) Microimagens correspondentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modelo de Sistemas aéreos não tripulados (UAS) e Tecnologias de Comuni. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Exemplo das topologias Estrela e Ponto a Ponto (IEEE 802.15.4). . . . . Esboço da arquitetura ZigBee e sua pilha de protocolos. . . . . . . . . . . Topologia ZigBee e seus componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . As camadas e funções implementadas no firmware dos dispositivos . . . . Diagrama com a sequência de transmissão de dados do dispositivo XBee.. 8 12. 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 4.1 4.2 4.3 4.4. 5.1 5.2 5.3. Varredura em espiral. a) Representação esquemática. b) Varredura em espiral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Rota com varredura vai e volta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Formação da esquadrilha para varredura de área, gerando um mosaico de captura de imagens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estratégia de Varredura sem decomposição da área, seguindo padrão em espiral e padrão vai e volta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Área decomposta em 4 subáreas e varredura vai e volta . . . . . . . . . .. 13 14 17 18 20 22 23. 28 28 29 30 31. Arquitetura do Sistema Multi VANT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XBee-PRO 900HP (S3B) DigiMesh, Wire Antenna, 200Kbps (Brazil). . Dispositivos utilizados para os testes da Arquitetura de Hardware . . . . Formato das mensagens de Controle, dados e confirmação do sistema proposto que realiza a troca de mensagens na FANET . . . . . . . . . . . . .. 35 36 37. Xbee Explorer USB Adapter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Componentes da Rede e a estrutura utilizada na realização dos testes . . . Local dos testes: Estação Base na UFRN e os VANTs sobrevoando o Parque das Dunas, próximo a Via Costeira em Natal-RN. Foto adaptada do Google Maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43 45. iii. 40. 46.

(16) 5.4. 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.1. Área onde foram realizados os testes, com poucas nuvens, ventos constantes, sempre no final da tarde. Parque das dunas - RN. Foto: câmera Drone DJI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cenário 1: Configuração ideal, Baud Rate com 115.200 bps em todos os nós. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cenário 2 - Configuração para os testes de tolerância a falha . . . . . . . X-CTU - Rede com Módulos XBee Conectados . . . . . . . . . . . . . . X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput). . . . . . . . . X-CTU - Tela de teste da qualidade do link de transmissão RSSI. . . . . .. 47 48 49 51 52. X-CTU - Tela de teste de taxa de transmissão (throughput) com a falha de um nó Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58. A.1 Pagina inicial do software XCTU B.1 B.2 B.3 B.4 B.5 B.6 B.7 B.8 B.9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Site para download XCTU . . . . . . . . . . . Descobrindo módulos Xbee conectado via USB XCTU - Selecionar porta serial . . . . . . . . XCTU - Selecionar as configurações . . . . . . XCTU - Adicionar o Módulo XBee . . . . . . XCTU - Módulo XBee - Adicionado . . . . . . XCTU - Descobrindo Módulos Xbee Remotos . XCTU - Adicionar Módulo Xbee Remoto . . . XCTU - Módulo Xbee Remoto - Conectado . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. . . . . . . . . .. 46. 72 73 74 75 75 76 76 77 78 78.

(17) Lista de Tabelas. 3.1 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7. Característica da rede de comunicação do sistema multi VANT para as duas estratégias de varredura propostas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. Cenário 1: Configuração e Posição dos nós . Cenário 1: Resultados Média, Desvio Padrão Cenário 1: Análise dos Resultados . . . . . . Cenário 2: Configuração e Posição dos nós . Cenário 2: Comparando a Média, nos 3 casos Cenário 2: Análise dos Resultados . . . . . . Comparação dos resultados . . . . . . . . . .. 54 54 55 56 56 57 59. v. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . ..

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(19) Lista de Símbolos e Abreviaturas. Gr:. Ganho do Teceptor. Gt:. Ganho do Transmissor. Pr :. Potência Recebida. Pt :. Potência de Transmissão. T:. Tempo. λ:. Maior comprimento de onda. d:. Distância. h:. Altitude. m:. Metro. min :. Minuto. s:. Segundo. seg :. Segundo. tan:. Tangente. v:. Velocidade em m/s (metros por segundo). R :. Marca Registrada. Abinc:. Associação Brasileira de Internet das Coisas. ACK:. Pacote de confirmação da mensagem recebida em uma Rede. ADC:. Analog-to-Digital Converter, Conversor Analógico Digital. AF:. Application Framework, (Estrutura para Camada de Aplicação). Anatel:. Agência Nacional de Telecomunicações. AODV:. Ad Hoc On-Demand Distance Vector protocol, (Protocolo de Vetor de Distância Sob Demanda) vii.

(20) APL:. Camada de Aplicação de uma Rede. APS:. Application Support, (Suporte a Camada de Aplicação). BATMAN: Better Approach To Mobile Ad hoc Networking protocol, (Melhor Abordagem para Rede Ad Hoc Móvel) bit:. Digito Binário, menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida. bps:. Bits Por Segundo. Broadcast: Endereçamento cujo destino são todos os nós de uma Rede Buffer:. Região de memória física utilizada para armazenar temporariamente. byte:. Uma palavra, ou conjunto de oito bits. CLBI:. Centro de Lançamento da Barreira do Inferno. dBm:. DeciBel Milliwatt. DCA:. Departamento de Engenharia da Computação e Automação. DSDV:. Destination-Sequenced Distance-Vector protocol, (Protocolo de Vetor de Distância). ED:. End Device, Dispositivo Final. FANET: Flying Ad hoc Networks FEC:. Forward Error Correction. FFD:. Full Function Device, (Dispositivo com todas as Funções). FOV:. Field Of View, (Campo de Visão). FTB:. Foguetes de Treinamento Básico. GPIO:. General Purpose Input/Output, (Portas Programáveis de Entrada e Saída de Dados). GPS:. Sistema de Posicionamento Global, por Satélite. Host:. Dispositivo hospedeiro, Nó que faz parte de uma Rede. Hub:. Concentrador, Nó intermediário em uma Rede. IEEE:. Institute of Electrical and Electronics Engineers, (Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrônicos). IETF:. Internet Engineering Task Force, (Força Tarefa de Engenharia da Internet).

(21) Jitter:. Variação da latência, ou Variação estatística do atraso na entrega de dados em uma rede. Kbytes: Medida de 1024 Bytes km:. KiloMetro. MAC:. Camada de Controle de Acesso ao Meio de uma Rede. MANET: Mobile Ad hoc Networks, (Redes Móveis Ad Hoc) Mesh:. Topologia de Rede em Malha. MHz:. Mega-hertz. Multi-hop: Topologia de uma rede Malha, tecnologia dos múltiplos saltos Multicast: Endereçamento cujo destino é um conjunto de nós de uma Rede mW:. milliwatts. NC:. Estação Base. NWK:. Camada de Rede. Nó:. Dispositivo hospedeiro, host que faz parte de uma Rede. OGM:. Originator Message, (Nó de Origem da Mensagem). OLSR:. Optimized Link State Routing protocol, (Protocolo de Roteamento de Estado do Link Otimizado). OpenCV: Open Source Computer Vision Library, (Biblioteca de Código Aberto de Visão Computacional) Overhead: Informações de controle e gerenciamento adicionados em cabeçalhos para troca de mensagens em uma rede P2P:. Ponto a Ponto. PAN ID: Personal Area Network Identification, (Identificador da Rede de Área Pessoal) PDU:. Protocol Data Unit. PHY:. Camada Física de uma Rede. PPgEEC: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação QoS:. Quality Of Services, (Qualidade de Serviço). RD:. Router Discovery, (Descoberta de Rotas).

(22) Redes Ad hoc: Redes Sem Fio que dispensam o uso de um ponto de Acesso RFC:. Request For Comments. RFD:. Reduced Function Device, (Dispositivo com Funções Reduzida). Router Discovery: Descoberta de Rotas RREP:. Pacote com a Resposta de Rota durante o RD. RREQ:. Pacote para Requisição de Rotas durante o RD. RSSI:. Received Signal Strength Indication, (Indicação da Intensidade do Sinal Recebido). SNMP:. Simple Network Management Protocol, (Protocolo de Gerenciamento de Rede). SPI:. Interface Periférica Serial. Throughput: Largura da banda de dados úteis em uma Rede TM:. Trademark, (Marca Registrada). UART:. Universal asynchronous receiver-transmitter. UAS:. Unmanned Aerial System, Sistema Aéreo Não Tripulado. UAV:. Unmanned Aerial Vehicle. UFRN:. Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Unicast: Endereçamento simples para um único dispositivo de uma Rede USB:. Universal Serial Bus. VANET: Vehicular Ad hoc Netwoks, Redes Móveis Veiculares Ad Hoc VANT:. Veículo Aéreo Não Tripulado. Wire:. Antena constituída por um fio. WPAN: Wireless Personal Area Network, (Rede Sem Fio de Área Pessoal) XBee:. Dispositivo de rede que utiliza o protocolo de comunicação ZigBee. ZDO:. ZigBee Device Object,(Objeto de Dispositivo ZigBee).

(23) Capítulo 1 Introdução. Nos últimos tempos, Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) vêm sendo utilizados em diversas aplicações civis e militares. Particularmente, sistemas multi VANTs são uma alternativa eficiente e econômica para aplicações em que é necessário varrer uma grande área para fins de monitoramento (Silva et al. 2017). Na cronologia de lançamento de foguetes no Centro de Lançamento da Barreira do Inferno (CLBI – Parnamirim – RN – Brasil), antes do lançamento, é necessário varrer a área provável de impacto no mar, para monitorar a presença de possíveis embarcações, para assegurar que não exista risco de lesões ou prejuízo a pessoas que estejam nessas áreas. Caso alguma embarcação esteja presente, devem ser tomadas medidas para retirá-la da área, pois, por razões de segurança, só é autorizado o lançamento do foguete se a área de impacto estiver livre de embarcações. Atualmente, o procedimento de varredura da área de impacto é executado no CLBI por meio de aeronave tripulada, procedimento custoso e demorado, que poderia ser realizado de forma mais econômica e segura utilizando VANTs. Em lançamentos de Foguetes de Treinamento Básico (FTB), cujo alcance e raio da área provável de impacto são de poucos quilômetros, um único VANT é capaz de varrer e monitorar a superfície do mar e identificar embarcações em tempo razoável (Santos et al. 2015). Em lançamentos de foguetes de maior porte, onde o alcance é maior e a área a ser varrida muito mais extensa, um único VANT pode não ter autonomia suficiente, ou, caso tenha, o tempo para que a varredura da área seja realizada pode ser muito longo, incompatível com a cronologia da missão. Nesses casos, um sistema multi VANT, constituído por uma esquadrilha de aeronaves autônomas, permitiria que uma grande área fosse varrida de forma eficiente e em tempo hábil, possibilitando que o raio de alcance da comunicação aumente por meio da criação de uma rede de comunicação Mesh, Ad hoc, entre VANTs (em inglês, FANET Flying Ad hoc Network), para que a informação seja transmitida de forma confiável entre as aeronaves e a estação de controle. Dentro desse contexto, este trabalho é parte de um projeto que visa desenvolver um Sistema Multi-VANTs para varredura de área de impacto de foguetes suborbitais lançados a partir do CLBI. A UFRN em parceira com o CLBI, já produziram alguns resultados na adaptação de um VANT para o uso de monitoramento da área de impacto de foguetes (Tavares et al. 2013);(Santos et al. 2015);(Silva et al. 2015). Este trabalho visa desenvolver e validar o desempenho de uma possível arquitetura de rede. Assim, busca-se, garantir a transmissão de dados utilizando uma rede de VANTs para varredura da área de impacto de foguetes lançados em direção ao mar pelo CLBI,.

(24) 2. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO. de forma que a sondagem da área seja feita de maneira eficiente e confiável, em menor tempo e a custo mais reduzido. Após comparar as características, vantagens e desvantagens, de diversas alternativas apresentadas na literatura para redes de comunicação em sistemas multi VANT, (Gupta et al. 2015);(Bekmezci et al. 2013);(Li et al. 2012) propomos dois esquemas alternativos de formação para a varredura da área de impacto, um no qual as aeronaves mantêm uma formação única e sincronizada, fazendo a varredura conjunta de toda a área, e outro no qual a mesma é decomposta em subáreas, onde cada uma é monitorada por um único VANT. Com base na análise das diversas alternativas de redes de comunicação e as características específicas é definida uma arquitetura de redes adequada para essa aplicação particular baseada em dispositivos que suportam o padrão IEEE 802.15.4 com o protocolo de comunicação ZigBee. Essa tecnologia possui características adequadas para atender uma rede de sensores sem fio com baixo consumo de energia, camadas de rede e segurança com criptografia (ZigBee Alliance 2017). O protocolo de comunicação ZigBee possibilita configurar redes auto organizáveis, capazes de se adaptar às diversas topologias, conectividade entre nós e às condições de tráfego, possibilitando transmissão de dados em tempo real (Chaari e Kamoun 2011). Define-se também um plano de testes para avaliar o desempenho da arquitetura de rede proposta em termos de robustez, confiabilidade e economia de energia. Para isso realizamse testes na rede com os dispositivos Xbee Pro 900HP com o suporte de um software de gerenciamento de redes que valide a qualidade e o desempenho dos pontos, assim como a confiabilidade dos links de comunicação entre os mesmos, aferindo qualidade de sinal, taxa de transmissão de dados (Throughput), perda de pacotes, latência, jitter, consumo de energia.. 1.1. O projeto SPACEVANT I e II. É importante ressaltar que o presente trabalho é parte integrante de outro projeto, chamado SPACEVANT II - Sistema Multi VANTs para Varredura e Coleta de Dados em Áreas de Missões Espaciais, (Silva, Monteiro, Alsina, Medeiros, Silveira, Nogueira, Albuquerque e Dantas 2016b), em execução pelo Laboratório de Robótica do Departamento de Engenharia de Computação e Automação da Universidade Federal do Rio Grande do Norte em parceria com o departamento de pesquisa do Centro de Lançamento de Foguetes da Barreira do Inferno em Parnamirim-RN. O projeto SPACEVANT II tem como objetivo principal estender o escopo do projeto SPACEVANT I (Tavares et al. 2013), desenvolvendo um sistema Multi VANT para varredura e coleta de dados em áreas de impacto de foguetes, para uso em missões espaciais do Centro de Lançamento da Barreira do Inferno de forma a maximizar a área monitorada e minimizar o tempo de varredura. Na primeira fase do projeto, o objetivo foi desenvolver o sistema de processamento de imagem, o algoritmo de detecção de embarcações e o sistema de controle de piloto remoto para um único VANT, além dos requisitos que servem de diretriz, utilizando aeronaves autônomas modelo "Penguin B’ (Figura 1.1) desenvolvido pela UAV Fatory (Factory 2017). Segundo (Silva et al. 2015), o projeto SPACEVANT I visa detectar, antes do lançamento de um foguete, embarcações não autorizadas dentro da área de impacto prevista no.

(25) 1.1. O PROJETO SPACEVANT I E II. 3. Figura 1.1: Aeronave modelo Penguin B, utilizada no Projeto SPACEVANT.. mar, por meio do processamento de imagens aéreas multiespectrais capturadas a partir de uma esquadrilha de Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs). Após a detecção de uma possível embarcação, o sistema irá emitir um alarme e informar a um operador humano, o qual irá confirmar a detecção da embarcação e tomar as medidas cabíveis. O VANT Penguin B UAV fabricado pela empresa UAV Factory, possui autonomia maior que 20 horas e capacidade de carga máxima de 10 kg. Foi definido que a altura máxima de atuação da aeronave será de 500 metros com o objetivo de evitar interferências de possíveis nuvens. A câmera frontal acoplada na aeronave auxiliará o operador no controle da aeronave e outra acoplada na parte inferior será usada para capturar as imagens que serão processadas pelo algoritmo proposto. Um sinal visual ou sonoro irá ser ativado na estação de controle caso um candidato a embarcação seja detectado, após uma aeronave enviar uma "mensagem de controle" informando a localização desse candidato. Cabe ao operador confirmar que o objeto detectado é de fato um barco, após receber uma "mensagem de dados" com a imagem do objeto localizado. Em caso positivo, o operador deve tomar as devidas providências de forma a informar a embarcação detectada que ela se encontra em zona de perigo: enviar uma "mensagem de confirmação" para acionar a sirene do VANT, realizar manobras de voo rasante na embarcação, tentar contato via rádio, enviar um barco ou avião tripulado seriam algumas das possíveis medidas tomadas. Para o bom desempenho da rede de comunicação, cujos pré-requisitos são definidos de acordo com o sistema de visão computacional que realiza a detecção de imagens, foi definido que o intervalo para o envio de uma mensagem de controle é de três segundos (Silva et al. 2015). A mensagem de controle é uma mensagem de texto, que contém a localização (Posição Geográfica Global - GPS) do VANT e se nessa localização existe ou.

(26) 4. CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO. não uma embarcação. Quando for detectado um alvo, o sistema deverá ter a capacidade de enviar a imagem processada, ou uma micro imagem com o alvo. Com base nas especificações definidas nos projetos SPACEVANT I e II é possível definir as características desejáveis ou requisitos que devem ser cumpridos além das contribuições do presente trabalho para o projeto.. 1.2. Contribuições. As principais contribuições deste trabalho são: o projeto da arquitetura de rede para o transporte de dados em uma rede Ad hoc utilizando VANTs e validar se a rede de comunicação permite a carga de dados essenciais para que a estação base de controle, evidenciando que a área de impacto de foguetes foi varrida e não existe embarcação ou outro objeto nessa região, sendo a missão executada dentro do tempo e área de risco, com custo inferior aos métodos utilizados atualmente, para então liberar o lançamento de foguetes realizado pelo CLBI. Mais detalhes sobre esses requisitos estão presentes no capítulo 5 que propõe uma possível arquitetura de rede, hardware e software que seja capaz de realizar a comunicação e transporte de dados entre a FANET, para que a mesma possa ser utilizada no Projeto. É proposta uma arquitetura de testes para validar a rede.. 1.3. Organização do texto. O presente documento está organizando da seguinte forma: o Capítulo 2 apresenta os conceitos teóricos necessários para o entendimento deste trabalho, tais como as características das principais soluções de redes de comunicação para sistemas multi VANT, proposito de uma rede Multi VANT, parâmetros necessários para medir a performance e qualidade de um rede de transmissão de dados. O Capítulo 3 apresenta dois esquemas diferentes para varredura da área de impacto, fazendo uma comparação entre eles. No Capítulo 4, o problema abordado é formalizado, apresentando a arquitetura de rede proposta para a aplicação, a arquitetura de hardware e software necessária para dar suporte à rede de comunicação multi VANT. No Capítulo 5, um protocolo de testes de validação é proposto para avaliar o desempenho da rede. Apresenta-se uma arquitetura para testes e as implementações da rede, com o software de gerência utilizado. O Capítulo 6 descreve como foram realizados os experimentos de validação, apresentando gráficos e tabelas que ilustram os efeitos das alterações dos parâmetros e os dados obtidos. Finalmente é apresentada a Conclusão com uma análise dos estudos desenvolvidos e os trabalhos futuros..

(27) Capítulo 2 Embasamento Teórico. Dentre os conceitos teóricos necessários à compreensão do problema em foco em uma rede de comunicação para sistemas multi VANTs, destacam-se neste capítulo: redes móveis Ad hoc; comparação das características dos tipos de redes móveis e caracterizando uma rede de VANTs (FANET); transporte de dados e estratégia de roteamento de uma FANET; uma base teórica sobre a arquitetura de rede com dispositivos ZigBee e os parâmetros necessários para medir a desempenho e qualidade do serviço (QoS - Quality of Services) de uma rede de transmissão de dados.. 2.1. Gerência de Desempenho de uma Rede sem fio.. Gerenciar uma rede consiste em coletar, medir e monitorar dados que possam ser analisados para determinar se estão operando dentro dos limites especificados para uma aplicação ou projeto de rede e assim fazer ajustes de acordo com modificações ou necessidades (Kurose e Ross 2009). O gerenciamento de desempenho possui como meta quantificar, medir, informar, analisar e controlar o desempenho de diferentes componentes. É possível mensurar uma Rede sem fio de acordo com os seguintes parâmetros de QoS: • Taxa de transmissão dados (Throughput) é a quantidade de dados transferidos de um lugar a outro (fim a fim), em um determinado espaço de tempo; • Qualidade do Sinal de Rádio (RSSI - Received Signal Strength Indication) é o indicador de Potência do Sinal Recebido, em um ambiente de rede sem fio; • Perda de pacotes; • Latência é o atraso ou quanto tempo leva para um pacote ou conjunto de dados ir de um ponto designado para o outro; • Jitter é a variação da latência, ou seja, a variação estatística do atraso na entrega de dados. Para atender os requisitos de uma rede de um sistema multi VANTs aplicado à varredura de área de impacto de foguetes, é necessário determinar a qualidade do serviços da rede (QoS - Quality of Service) , verificando se atende às condições necessárias para o transporte de dados e imagens coletadas. Nesse cenário a taxa de transmissão de dados,.

(28) 6. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. intensidade do sinal, tempo de transmissão dos pacotes e perda de pacotes serão analisados. Indicador de Qualidade do Sinal de Rádio (RSSI- Received Signal Strength Indicator) Receive Signal Strenght Indicator (RSSI), é a medida que indica qual é a potência em toda banda passante do canal recebido. É um indicador de intensidade da força do sinal recebido, medido em dBm. O principal conceito nesse indicador é mensurar a atenuação da potência do sinal através da distância percorrida. A relação entre a potência recebida Pr e a potência de transmissão Pt é dada na equação: 2.1, Gt e Gr são ganhos do transmissor e ganho do receptor respectivamente , λ é o maior comprimento de onda e d a distância entre o emissor e o receptor (Piyare e Lee 2013). . λ Pr = Pt · Gt · Gr · 4πd. 2 (2.1). É possível observar que quanto maior o comprimento da onda, a propagação da onda é menos suscetível a perda em seu caminho. A potência do sinal recebido é convertida para RSSI, e sua definição está na relação entre a potência recebida Pr e potência de referência Pref , como mostrado na equação: 2.2. Pr (2.2) RSSI = 10 · log Pref R Em dispositivos Digi XBee-PRO 900HP S3B, é possivel medir a intensidade do sinal recebido no dispositivo, utilizando o comando DB. DB retorna o valor RSSI (em -dBm) do último pacote recebido. Para uma rede em malha ele indica a intensidade do sinal recebido do último salto (XBee-PRO 2016).. Testes de Taxa de transmissão de dados (Throughput) Throughput é a taxa de transferência que mede a quantidade de dados úteis transferidos de um dispositivo a outro, como também a quantidade de dados processados em um determinado espaço de tempo, ou seja, a quantidade de bits úteis que o link está transmitindo após descontar os bits com endereçamentos, controle, informações do cabeçalho que são enviados em uma transmissão. A carga útil de dados é também chama de Payload. Throughput está diretamente relacionado com o tamanho e a velocidade de transmissão de dados úteis em um pacote. Podemos medir o Throughput através da equação 2.3, entre o tamanho da mensagem em bits, dividido pelo tempo total da transmissão em segundos: T hroughput =. 8 · numero de bytes Tempo total da transmissao (seg). (2.3). A Taxa de modulação (Baud Rate) representa a quantidade de modulações (sinalizações) realizadas em um segundo pelos canais de transmissão de rádios. Em um sinal binário, o pulso tem o nome de bit. Assim sendo, para um sinal binário, a velocidade.

(29) 2.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA VANTS. 7. de modulação é expressa em "bits por segundo"(bps). Baud Rate está associado à camada física, então ao contabilizar a Taxa de modulação, são incluídos todos os sinais que são transmitidos para a comunicação. Enquanto a velocidade ou taxa de transmissão (Bit Rate) corresponde à quantidade de bits úteis transmitidos por segundo, a "bit rate útil"de uma comunicação refere-se à capacidade de transferência de um canal excluindo os dados de controles transmitidos, como por exemplo, sincronização, cabeçalho, detecção e correção de erros, etc. É a carga útil de dados transmitidos pelo usuário ou Aplicação. Resumindo pode-se dizer que o Baud Rate é a medida possível, ou a Largura de banda (bps) associada à quantidade de bits por segundo que um canal, enlace ou até mesmo uma rede pode transmitir. Enquanto o Throughput, mede bit rate útil, ou a velocidade pela qual podemos enviar dados pela rede. É a medida real da rapidez com que os dados podem ser enviados. A Baud Rate é proporcional à Taxa de transmissão, pois aumentando-se o Baud Rade em um dispositivo XbeeTM , aumenta-se a Taxa de transmissão de dados.. 2.2. Redes de Comunicação para VANTs. Em Redes Ad hoc, hospedeiros sem fio ou nós, não dispõem de nenhuma infraestrutura de acesso que controle o envio e recebimento de dados e coordene a transmissão dos hospedeiros da rede. Na ausência de tal infraestrutura, os próprios hospedeiros devem prover serviços como roteamento, atribuição e tradução de endereço, entre outros (Kurose e Ross 2009). Quando um hospedeiro móvel se desloca para fora da faixa de alcance de um nó e entra na faixa de outro nó, ele tem a capacidade de mudar seu ponto de conexão. Como não existem estações base nessas redes, os nós podem ter de restabelecer conexão e enviar mensagens entre diversos outros nós para chegar a um destino, formando uma rede denominada Malha (em inglês Mesh), ou "Multi-hop", isto é, a tecnologia dos múltiplos saltos. Nessa rede ocorre a mudança de conectividade entre eles sempre que necessário. Essas redes são categorizadas como Redes Móveis Ad hoc (MANET - Mobile Ad hoc Networks); se os nós móveis forem veículos, essas redes são denominadas Redes Ad hoc Veiculares (VANET - Vehicular Ad hoc Netwoks); quando aeronaves mantêm uma rede Ad hoc, sua denominação é FANET (Flying Ad hoc Network). Redes de comunicação móveis para sistemas Multi VANTs (FANETs) apresentam características e requisitos bastante específicos, ao contrário de outras redes móveis sem fio, como por exemplo as VANETs ou MANETs.. 2.2.1. Comparando características de redes sem fio MANET, VANET e Rede para Sistemas Multi VANTs (FANET).. MANET é uma rede composta por plataformas móveis na qual os nós não dependem de infraestrutura ou ponto de acesso para operar. O movimento dos nós é lento e aleatório (menos de 3 m/s) estando conectados em uma rede Ad hoc. A mudança da topologia é dinâmica, com os nós entrando e saindo na rede de forma imprevisível (Bekmezci et al. 2013);(Gupta et al. 2015)..

(30) 8. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. VANET é uma rede composta por carros que se comunicam com outros carros ou pontos de acesso próximos às estradas. Os nós se movimentam a uma velocidade de 2030 m/s em rodovias e 6-10 m/s em áreas urbanas. O movimento é previsível, limitado ao traçado da pista, condições de tráfego e regras de trânsito. A topologia é definida como uma rede em estrela entre os pontos de acesso e Ad hoc entre os veículos. A topologia muda de forma mais dinâmica que uma MANET, apresentando movimentos lineares em função das rodovias (Bekmezci et al. 2013);(Gupta et al. 2015). Redes MANETs estão associadas à distribuição de informação, formando uma estrutura de comunicação de dados para casos emergenciais, publicidade, eventos com pontos de acesso à Internet, etc. As VANETs são utilizadas para o transporte de informações de tráfego, informações climáticas, avisos de emergência, serviços de localização e entretenimento, etc. FANET é uma rede composta por aeronaves não tripuladas que se comunicam entre si e com a estação base de controle. A velocidade dos nós varia de zero a pouco mais de 100 m/s com movimentos em duas ou três dimensões, controlados de acordo com o propósito da missão. A mudança de topologia pode ser fixa ou sujeita a mudanças lentas ou muito rápidas, com movimentação desordenada ou sincronizada, dependendo do objetivo (Gupta et al. 2015). A Figura 2.1 ilustra a composição desses três tipos de redes Ad hoc (Bekmezci et al. 2013) .. Figura 2.1: Composição das redes móveis Ad hoc de comunicação MANET, VANET e FANET. Adaptado (Bekmezci et al. 2013). Em uma FANET, o projeto da arquitetura de rede leva em consideração um protocolo de roteamento com capacidade de se reorganizar em casos de falha de um VANT. Os protocolos com algoritmos pró-ativos ou reativos podem não funcionar devido à baixa capacidade de processamento e memória dos nós. Na presença desses fatores, a FANET deve ser capaz de encaminhar pacotes entre um nó fonte e um nó destino, otimizando a métrica escolhida, incorporando mecanismos para economizar energia e maximizando a vida útil da rede..

(31) 2.2. REDES DE COMUNICAÇÃO PARA VANTS. 2.2.2. 9. Caracterizando uma Rede de VANTs (FANET).. Uma rede de VANTs pode ser definida quanto à sua aplicação, sendo categorizada em três grupos distintos, apresentando características como: rota e velocidade do voo, tipo e quantidade de dados a serem transportados, bem como impacto na falha ou perda de conexão entre os nós da rede. Rede de VANTs como infraestrutura de acesso à Internet. Nessa categoria enquadram-se FANETs planejadas para servir de infraestrutura como ponto de acesso à Internet. Esse tipo de rede exige pouca e lenta movimentação dos VANTs. A infraestrutura de comunicação deve ser estável e suportar uma quantidade de banda e acesso para que seus usuários possam utilizar a rede (Sanchez-Garcia et al. 2016);(Gupta et al. 2015). Sanchez-Garcia et al. (2016) demonstram estratégias para um plano de rotas de VANTs para construção de uma FANET visando fornecer infraestrutura de rede em cenários de desastres. Rede de VANTs para localização e ataque com fins militares Nessa categoria enquadram-se FANETs projetadas para que um nó localize um alvo, seguido pela execução do ataque, com a possibilidade de deixar a área imediatamente após o ataque ou executar auto detonação para eliminar o inimigo. O objetivo é procurar um alvo, de forma que não é necessário fazer a varredura total da área. Os VANTs sobrevoam a área em alta velocidade com movimentos não coordenados e devem possuir capacidade de captura e processamento de imagens com técnicas de visão computacional. Como exemplo da aplicação dessa técnica, Ruini et al. (2009) demonstram um estudo utilizando VANTs para encontrar um alvo e realizar o ataque. Rede de VANTs para sensoriamento remoto ou varredura Nessa categoria enquadram-se FANETs para o sensoriamento e monitoramento de determinada área, utilizando-se técnicas de visão computacional para que toda a área a ser monitorada seja coberta. A capacidade de captura e processamento de imagens é um fator limitante para a velocidade do voo. No comportamento de voo típico dessa categoria, os VANTs executam rota similar, coordenada, a velocidade constante, sendo possível determinar pontos futuros e realizar o planejamento do voo na rede. Em casos de falha de um nó, a rede deve ter capacidade de se rearranjar de modo que a área onde houve a falha seja monitorada por outros nós da rede, resultando numa completa varredura da área em análise (Gupta et al. 2015).. 2.2.3. Transporte de dados e estratégia de roteamento.. Segundo Gupta et al. (2015), ainda não foi estabelecido qual é a melhor arquitetura para uma FANET. Primeiramente deve-se analisar o objetivo da rede, o plano de voo e as rotas das aeronaves, para então ser adotada uma estratégia de roteamento. Em uma.

(32) 10. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. rede que o roteamento é feito por aeronaves, fatores como localização dos nós, economia de energia, maior robustez frente a links intermitentes e mudança de topologia devem estar presentes para que haja uma melhor qualidade no serviço. Projetar a camada de rede para sistemas Multi VANT ainda é uma tarefa desafiadora (Bekmezci et al. 2013). Os principais protocolos de roteamento em redes sem fio entre dispositivos móveis (MANETS E VANETs), podem ser categorizados como protocolos de Roteamento Estático, Pró-Ativos, Reativos, Híbridos, Geográficos 2D e 3D. Todos têm problemas na aplicação de redes VANTs (Gupta et al. 2015). O conhecimento das características de uma rede de VANTs aplicada para varredura de área, tais como a movimentação sincronizada e velocidade constante dos seus nós, possibilita definir um protocolo de roteamento adequado. Em uma FANET, recursos como armazenamento, potência do sinal e largura de banda são limitados. A taxa de entrega é afetada pela quantidade de saltos entre os nós, interferência e condições da rede em função da distância e movimentos desses nós. Neste trabalho, considera-se que o roteamento tende a ter características determinísticas, em função da velocidade e da rota prevista, considerando que movimentos futuros e ligações podem ser conhecidas. A topologia da rede não muda frequentemente. Algoritmos de roteamento determinístico são baseados na formulação de um modelo dependente do tempo, no qual é possível definir um plano de voo que mantenha a distância ideal entre os VANTs para que não ocorram problemas de perda do sinal, utilizando métricas com técnicas otimizadas de entrega de pacotes fim a fim, com roteamento de pacotes Unicast1 . Assim, esse tipo de roteamento proporciona um bom desempenho com menor consumo de recursos em relação a técnicas de roteamento estocástico (Cardei et al. 2013). Devemos destacar a importância do protocolo de roteamento, pois uma metodologia adequada desempenha um papel fundamental em aplicações críticas em requisitos, como, a reserva de largura de banda, eliminar colisões ou atrasos médios fim a fim. Por isso é importante analisar as características de protocolos de roteamento Ad hoc, tanto pró-ativos como reativos, que possuem caraterísticas desejáveis a uma FANET que tem o objetivo de fazer o sensoriamento de uma área. Existem diversos estudos comparativos entres esses protocolos, destacando suas características, além de algumas vantagens e desvantagens (Bessa et al. 2011);(Aguiar et al. 2007). Zafar e Khan (2017) apresentam em seu trabalho um estudo de protocolos de roteamento aplicado a FANETs. Desses protocolos para redes Ad hoc podemos destacar, OLSR, DSDV, AODV e BATMAN com uma breve descrição de suas características: • OLSR - (Optimized Link State Routing) ou Roteamento com estado do link otimizado (Clausen et al. 2003): protocolo pró-ativo (Realiza troca periódica das informações da tabelas de roteamento e informações sobre toda a topologia da rede), para atualizar suas tabelas de rotas. Normalmente, um protocolo pró-ativo ao receber informações de alteração da rede, encaminha-as para todos os nós ao seu alcance (mensagem de Broadcast), podendo sobrecarregar a rede (Bessa et al. 2011). • DSDV - (Destination Sequenced Distance Vector) ou Roteamento por Vetor de Distância com Destino Sequenciado (Chroboczek 2011): protocolo pró-ativo, nos 1 Unicast:. é o endereçamento de um pacote enviado a um único destino, ou seja, a entrega no unicast é simples, ponto-a-ponto (Kurose e Ross 2009)..

(33) 2.3. O SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE IMAGENS. 11. quais todos os nós da rede possuem uma tabela de roteamento com o endereço do nó destino, com o numero de saltos (hop) necessários para se alcançar o destino e o número de sequência do nó destino (sequence number - SN). Para diferenciar a existência de novas rotas com as já armazenadas na tabela é usado um número de sequência, ou seja, cada nova entrada na tabela possui um novo SN. As atualizações podem conter toda a tabela de roteamento ou apenas as rotas que foram alteradas (Zafar e Khan 2017). • AODV - (Ad hoc OnDemand Vector) (Perkins et al. 2011): protocolo reativo (As rotas são estabelecidas sob demanda) baseado no algoritmo de vetor de distância. O AODV elimina a necessidade de um broadcast global das informações de roteamento, evitando o alto consumo de banda por pacotes de controle. • BATMAN - (Better Approach To Mobile Ad hoc Networking) ou Melhor abordagem para redes móveis Ad hoc (Neumann et al. 2008), protocolo pró-ativo com algumas características de um roteamento vetor de distância. Cada nó envia periodicamente uma mensagem de broadcast chamada de originator message (OGM) que informa aos seus vizinhos a respeito de sua existência. Os vizinhos retransmitem essa mensagem até que cada nó da rede tenha ciência de todos os outros nós. Em razão da natureza não confiável da transmissão em broadcast, a inundação de mensagens OGM não irá atravessar eficazmente enlaces congestionados. O roteamento escolhe dessa forma as rotas com a maior probabilidade de entrega, medida por contadores de pacotes OGM (Sanchez-Iborra e Cano 2016). Assim, o encaminhamento de pacote de dados é feito ao vizinho de quem mais se recebeu mensagens OGM do destino durante um determinado intervalo de tempo (De Siqueira 2014). O protocolo de roteamento BATMAN, está em fase experimental e não existem dispositivos no mercado que o utilizam. Segundo Aguiar et al. (2007), observou-se melhor comportamento e melhor desempenho da rede utilizando o protocolo AODV em relação ao OLSR, dentro do seu cenário que a maioria dos pontos se enxergam. Isso não significa que dispositivos com protocolo de Roteamento OLSR devem ser descartados. Apenas indica que estudos devem ser realizados com os dois protocolos. Para cenários que os sensores tem baixa capacidade de processamento, pouca largura de banda e existência de poucos recursos energéticos, os protocolos com AODV levam uma vantagem devido à suas características. Após estabelecer e caracterizar as especificidades para um Rede de FANETs, é possível determinar uma arquitetura e qual protocolo de rede deve ser utilizado, para que possa fornecer uma solução para o problema envolvido.. 2.3. O sistema de processamento de imagens. O sistema de visão computacional para detecção de embarcações possui um período T para amostrar e processar as imagens igual a 3 (três) segundos, considerando que a câmera utilizada possui um campo de visão (field of view) FOV = 0,35 rad ou aproximadamente 20 graus, e que o avião voa a uma altitude h = 500 m com uma velocidade média v = 27 m/s. Para se ter uma margem de segurança, o sistema obriga uma sobreposição mínima.

(34) 12. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. de 50% entre frames obtidos, assim foi possível encontrar o valor aproximado T = 3 s, de acordo com a Equação 2.4. (Silva et al. 2015). A Figura 2.2, esquematiza a área de captura formada pela limite de visão da câmera, altura, velocidade (Tavares et al. 2013). FOV 2h · tan T≤ (2.4) v 2. Figura 2.2: Requisito do tempo máximo para envio de uma mensagem de controle de acordo com Sistema de Processamento de Imagens. Adaptado de (Tavares et al. 2013);(Silva et al. 2015). Outra consideração importante é que, como a área de impacto é uma área de exclusão marítima, espera que grandes barcos como cargueiros ou transatlânticos não naveguem na região, sendo mais provável encontrar pequenas embarcações como jangadas, barcos de pesca ou lanchas. Assim sendo, caso haja algum barco no frame atual, a tendencia é que ele ocupe menos que a metade da imagem, nesse caso não é necessário o envio da imagem completa e sim uma micro imagem contendo a embarcação e suas coordenadas geográficas obtidas pelo GPS. As Figuras 2.3A e B, mostram alguns exemplos de embarcações na área de risco, nas quais a imagem foi processada pelo Sistema de Visão Computacional, detectada e realçada com um retângulo vermelho. Logo abaixo na Figura 2.3C é possível visualizar as micro imagens com o recorte destas embarcações.. 2.4. Requisitos e protocolos para a rede de dispositivos móveis.. Dentre as principais características que devemos levar em consideração para determinar a arquitetura da rede, uma das mais importantes é um protocolo de comunicação que.

(35) 2.4. REQUISITOS E PROTOCOLOS PARA A REDE DE DISPOSITIVOS MÓVEIS.13. Figura 2.3: Imagens processadas pelo Sistema de Visão. A) Imagem com duas embarcações. B) Imagem com uma embarcação. C) Microimagens correspondentes. Adaptado de (Silva et al. 2015).. considere os requisitos do projeto dentro do cenário em que será utilizado. Por exemplo, um aspecto importante é a distância entre os nós, pois, em uma configuração na qual esquadrilha tenha a formação com subdivisão da área a ser varrida ou uma formação conjunta com os nós próximos, a distância entre os nós pode variar de algumas centenas de metros até alguns quilômetros. A rede deve ter a capacidade de enviar mensagens de controle a cada 3 segundos, informando a localização e a possível existência de embarcação. Quando encontrar uma embarcação, além da mensagem de controle, poderá enviar uma mensagem de dados contendo uma imagem de até 100 Kbytes, ou micro imagens com tamanho reduzido. Para os requisitos, ainda devem ser levadas em consideração algumas características, como a capacidade de reorganizar a rede em caso de falha de um nó, com processamento e recurso energéticos limitados. As aeronaves estarão sobre o mar, portanto há necessidade de uma rede Ad hoc, sem pontos de acesso (torres de comunicação) entre os nós da rede. Assim, essa tecnologia deve ter a capacidade de trocar informações entre si, formando uma rede de sensores em malha. Existem diversas soluções para comunicação de redes móveis que podem ser analisadas para utilização em redes Ad hoc, as quais enquadram-se para rede de curto alcance: Bluetooth 5, 6LoWPAN, ZigBee, Wi-Fi, Z-Wave, Thread, ANT e tecnologias para longo alcance como LoRa / LoRaWAN, NWave, OnRamp, Platanus, SIGFOX, Telensa (formerly Senaptic), Weightless, Amber Wireless, Wi-MAX, ZigBee+DigiMesh, ComSAT entre outras (Walko et al. 2017). Atualmente, diversos centros de pesquisa estão investindo em soluções com uso dessas tecnologias. Motlagh et al. (2016) apresentam um resumo com a classificação dos VANTs, associando ao conceito de Sistemas aéreos não tripulados (UAS - Unmanned Aerial System) como mostra a Figura 2.4(a). Esses sistemas podem utilizar comunicação baseada em satélite (Satellite-based Comunication), Comunicação com apoio de dispositivos terrestres (Ground-based Communication), como torres e antenas na área varrida, e.

(36) 14. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. por último, a comunicação somente entre os dispositivos áereos (Air-air Communication). Problemas desafiadores tanto em questões de hardware, arquitetura de rede, problemas de regulamentação e padronização ainda não estão muito bem definidos. Motlagh et al. (2016) apresentam a comparação entre as topologias de rede ponto a ponto / malha e possíveis arquiteturas de UAS, discutindo os desafios associados e os requisitos do sistema comparando algumas das tecnologias citadas anteriormente para transporte de dados como celular (Ex. 3G, 4GLte), Banda Larga (Wimax e Wifi), Comunicação com Satélite (ComSAT) e ainda com tecnologias de outras categorias, no caso, comunicação de curto alcance (ZigBee e Bluetooth). Ao comparar diversos trabalhos, existe o destaque em relação aos dispositivos Zigbee+DigiMesh, para casos onde é necessário pouco consumo de energia, segurança de dados, aliado à possibilidade de comunicação de longo alcance através uma rede em malha e transferência de dados de até 250 kb/s. A Figura 2.4(b) apresenta tecnologias de comunicação que podem ser utilizadas em FANETs.. Figura 2.4: Modelo de Sistemas aéreos não tripulados (UAS) e Tecnologias de Comunicação para FANET. Figura 2.4(a) e (b). Adaptado de: (Motlagh et al. 2016).. Comparando as diversas tecnologias e os protocolos de redes, os que podem melhor se adaptar ao projeto são as WIFI(11af/ah), ZigBee com DigiMesh, ou LoRa / LoRaWAN. Mas, segundo Motlagh et al. (2016), as redes WIFI possuem taxas de transmissão de dados superior às outras duas, chegando a mais de 54 Mbps (Megabits por segundos), mas o alcance padrão é de apenas 100 metros, embora utilizado antenas direcionais podese ampliar o alcance do sinal para até 25 km. Contudo, com a movimentação dos nós, com alteração contante de posição a comunicação tende a ficar instável. Essa tecnologia é recomendada, para um cenário em que a rede de VANTs seja utilizada para infraestrutura.

(37) 2.4. REQUISITOS E PROTOCOLOS PARA A REDE DE DISPOSITIVOS MÓVEIS.15 de acesso à Internet, ou monitoramento de uma área de desastre com transmissão de vídeo em tempo real, mas sem a necessidade de movimentação dos nós. R Em paralelo, existe a linha de módulos Digi XBee-PRO 900HP S3B,(XBee PRO 2017), sendo desenvolvida para uso de longo alcance com conectividade entre os dispositivos na frequência de 900MHz, utilizando o protocolo de comunicação ZigBee adaptado à tecnologia DigiMesh. Esse modelo possui capacidade de transmissão de dados até 200 Kbps e alcance de até 14 km para transmissão entre dois nós. Segundo Zafar e Khan (2017) dispositivos com protocolos de comunicação que utilizam na camada física o padrão IEEE 802.15.4 (Padrão para controle da Camada de acesso físico), têm ótima adaptação para FANETs que necessitam de comunicação em malha, de VANT para VANT, com velocidades de até o limite de 460 km/h e movimentação podendo ser constante ou variável. Ao final, Zafar e Khan (2017) apresentaram como resultado, que a tecnologia ZigBee pode ser uma candidata potencial com taxas de entrega de pacotes entre 80-98% e atrasos de rede comparáveis com o padrão IEEE 802.11, sendo que esse ultimo envolve complexidade, pois não é adaptado para situações em que os nós estão distantes e movimentam-se, embora permite uso de banda larga. Assim, o padrão IEEE 802.15.4 pode ser uma escolha adequada para aplicações que não necessitam de largura de banda exaustiva, exigindo menor taxa de dados para comunicação. Motlagh et al. (2016) destacam que o protocolo de comunicação ZigBee sobre o padrão IEEE 802.15.4, suporta protocolos de comunicação de alto nível com baixo consumo de energia e baixo custo. A tecnologia é tipicamente usada em aplicações de menor taxa de dados e que requerem grande vida útil para bateria e comunicação segura. A rede em malha permite alta confiabilidade e longo alcance. Segundo Motlagh et al. (2016) ZigBee é a melhor opção para transmissões de dados intermitentes a partir de sensores. Nesse trabalho, Motlagh et al. (2016) apresentaram resultados de testes, utilizando dispositivos ZigBee, embarcados em VANTs quadrirrotores no desenvolvimento de um sistema de uso geral para localização interna (indoor) em um ambiente conhecido, combinando o Zigbee e um sistema de navegação inercial, contendo medidor de velocidade e acelerômetro que são usados para aumentar a precisão. Os resultados elucidam que o sistema de localização é viável, eficaz, flexível e facilmente adaptável a várias situações. Dentro do projeto SPACEVANT do qual este trabalho faz parte, mensagens de controle são enviadas a cada 3 segundos. Por sua vez, uma mensagem de dados com uma imagem possui tamanho médio de 100 KBytes é enviada caso algum nó da esquadrilha encontre uma embarcação enquanto faz a sua varredura. Por causa dessas características, será adotada a tecnologia de comunicação com dispositivos Zigbee. Nesse contexto, foi feito um estudo mais aprofundado e um cenário para testes foi estabelecido para validar a tecnologia e analisar a viabilidade de sua utilização. Segundo Associação Brasileira de Internet das Coisas (Abinc) a regulamentação para LoRa / LoRaWAN no Brasil foi aprovada no dia 21 de junho de 2017. A aprovação permite que equipamentos com esse protocolo sejam certificados e operem em potências compatíveis com o que já se pratica no exterior, colocando o Brasil em condições de igualdade com os outros países. Devido à recente data de aprovação o presente trabalho não fez nenhum análise desse protocolo, mas seria interessante realizar um estudo comparativo entre o LoRaWAN e o ZigBee. Trasviña-Moreno et al. (2017) publicaram.

(38) 16. CAPÍTULO 2. EMBASAMENTO TEÓRICO. estudos de VANTs, utilizando sensores sem fio, no monitoramento da costa marinha utilizando o protocolo LoRa, alcançando uma taxa de transmissão máxima de 4399,97 bps e um alcance entre os nós de 485 metros. Nesse trabalho o sistema de coleta de dados fica no oceano, instalado em boias fixas, enquanto os VANTs sobrevoam a área coletando os dados e, após a coleta, voltam para a estação base de controle, para que os dados sejam analisados.. 2.5. Arquitetura de rede com protocolo ZigBee.. De acordo com a estratégia de varredura adotada e os requisitos de comunicação da esquadrilha, foi escolhido o protocolo de comunicação e roteamento dos dados ZigBee, desenvolvido pela Alliance ZigBee, que utiliza o padrão IEEE 802.15.4, desenvolvido pelo IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Enginners). Esse protocolo possui características adequadas para atender uma rede de sensores sem fio com baixo consumo de energia, camadas de rede e segurança com criptografia. O protocolo de comunicação ZigBee possibilita configurar redes auto organizáveis, capazes de se adaptar às diversas topologias, conectividade entre nós e às condições de tráfego, possibilitando transmissão de dados em tempo real (ZigBee Alliance 2017).. 2.5.1. O Protocolo de Comunicação da Rede ZigBee.. ZigBee é uma arquitetura de rede idealizada para a Internet das Coisas que define um conjunto de protocolos de comunicação para redes sem fio. Opera na frequência em bandas não licenciadas em todo o mundo a 2.4 GHz (global), 915 MHz (Américas) e 868 MHz (Europa). As taxas brutas de tranferência de dados (Throughput) podem alcançar 250 Kbps a 2,4 GHz (16 canais), 40 Kbps a 915 MHz (10 canais) e 20 Kbps a 868 MHz (1 canal) em redes de curto alcance dependendo da potência e de características do ambiente (ZigBee Alliance 2017). O protocolo ZigBee é uma evolução, ou complemento do padrão IEEE 802.15.4, com camadas de rede e segurança, estrutura de controle e criptografia. O padrão IEEE 802.15.4 O padrão IEEE 802.15.4 define as especificações das subcamadas: Física (PHY) e controle de acesso ao meio (MAC). Tem o propósito de servir a aplicações com requisitos de baixa taxa de transmissão de dados e baixa latência para dispositivos fixos, portáteis ou móveis e requisitos de consumo de bateria muito limitados. Além disso, a subcamada PHY é definida para dispositivos que operam em várias bandas sem licença em uma variedade de regiões geográficas (Heile et al. 2015). Topologias de Rede e Modos de Operação IEEE 802.15.4 O IEEE descreve dois modos de operação para os dispositivos com tecnologia IEEE 802.15.4: Dispositivos de Função Completa (FFD - Full Function Device) e Dispositivos de Função Reduzida (RFD - Reduced Function Device). O FFD possui todas a funções.

(39) 2.5. ARQUITETURA DE REDE COM PROTOCOLO ZIGBEE.. 17. dos serviços MAC, operando como o coordenador ou um simples dispositivos da rede. O RFD só opera como um dispositivo da rede e não tem funções de descoberta da rede e mapeamento dos vizinhos, ponto de acesso e associação dos nós, sendo essas funções do FFD. Como um RFD só envia e recebe dados, ele pode hibernar quando está ocioso consumindo menos energia que os FFD (Heile et al. 2015). O padrão permite duas topologias, sendo essas não completamente descritas, pois a definição das camadas superiores de rede e transporte está fora do escopo do IEEE 802.15.4. O padrão se limita a indicar qual modo de operação FFD ou RFD é utilizado pelos componentes da rede. São permitidas as topologias com formação em estrela e ponto a ponto (em inglês peer-to-peer). Na formação da rede estrela, após um FFD ficar ativo como coordenador estabelecendo sua própria rede, funciona como o ponto de acesso, sendo o concentrador e possui comunicação direta com todos os nós. O FFD coordenador funciona como o hub na rede. A estrutura básica de uma rede de estrela está ilustrada a Figura 2.5A. Na formação ponto a ponto, os FFDs que não são coordenadores são capazes de se comunicar com outros dispositivos que estão dentro de sua faixa de radio transmissão. Devido aos RFDs não terem capacidade de associação e mapeamento dos vizinhos, esses se conectam como uma folha final em uma ramificação de um FFD, formando uma topologia de rede em arvore (em inglês Cluster Tree Network). Essa estrutura está ilustrada na Figura 2.5B (Heile et al. 2015). Deve ser observado que, como o padrão IEEE 802.15.4 define as subcamadas da rede, suas topologias estão limitadas apenas às funções da camada física. Funções de Roteamento entre dispositivos e entrega fim a fim de pacotes são definidas nas camadas de transporte e rede. Toda a rede, independente de topologia ou modo de operação, possui: um PAN ID (em Inglês Personal Area Network Identification) um endereço único da rede de 16 bits, que permite a comunicação entre os membros da rede. Cada dispositivo também possui um endereço físico local de 16 bits que o identifica dentro da rede. Na formação de uma rede IEEE 802.15.4 o PAN ID iniciado pelo coordenador FFD é chamado de WPAN (em inglês Wireless Personal Area Network) (Heile et al. 2015).. Figura 2.5: Exemplo das topologias Estrela e Ponto a Ponto (IEEE 802.15.4). Adaptado de (Heile et al. 2015).