Resumo— A presença de tecnologia no cotidiano das pessoas cresce todos os dias, ela está presente em várias áreas e não podia ser diferente na área de veículos de transporte. Um grande avanço se teve nessa área e resultou na implementação de sistemas de comunicações entre veículos na busca por transportes mais seguros e eficientes.
Termos para indexação— Comunicação, veículos, veículos autônomos, protocolos, dados.
I. INTRODUÇÃO
A sociedade se encontra com muitos problemas de mobilidade nos dias de hoje. Ambos os transporte públicos e privados ocupam cada vez mais as estradas, avenidas e ruas o que causa muitos congestionamentos todos os anos. Mesmo com o aumento destes, o que mais se destaca como problema a ser resolvido é a segurança que os veículos possuem. A melhora na eficiência e segurança dos veículos é importante para a redução dos congestionamentos e dos acidentes em todos os tipos de vias.
O desenvolvimento da tecnologia influenciou diversas áreas como saúde, infraestrutura, educação e diretamente os meios de transportes com o passar do tempo. No caso de veículos automotivos pode-se citar o aumento do uso de eletrônica embarcada e da melhoria da parte elétrica dos mesmos. Tais
mudanças são fundamentais para o uso de sensores e técnicas de aquisição e processamento de dados do ambiente pelas centrais de controle dos veículos.
Dados que são aproveitados para melhorar a
eficiência dos veículos e facilitar a vida e segurança dos usuários. Consequentemente, a tecnologia nos
veículos e sistemas de transportes avança no sentido de criação de uma comunicação veicular. Na qual se mostra cada vez mais necessária a fim de
desenvolver os sistemas de transportes e trazer benefícios para a sociedade. Esse desenvolvimento inclui ainda as estradas e sistemas de controle que trabalham em conjunto com os automóveis e outros veículos. A comunicação veicular será abordada nesse trabalho com uma visão geral, com alguns conceitos e aplicações.
II. VISÃO GERAL
Nos anos 60, 70 ou até mesmo nos anos 80 era difícil imaginar ver automóveis autônomos ou veículos que auxiliassem o condutor de maneira tão abrangente como pode ser visto hoje. Mas à medida que foram incorporados circuitos eletrônicos, computadores e outras tecnologias aos veículos a ficção começou a se tornar realidade. Nos dias de hoje já não é tão novidade ver carros com diversos sensores, câmeras e outros aparatos eletrônicos que auxiliam o motorista a dirigir e manobrar seu veículo. Empresas pelo mundo desenvolvem veículos autônomos ou com capacidades de auto pilotagem muito desenvolvidas. E junto a esse desenvolvimento a comunicação entre veículos como carros, caminhões e até tratores vem se tornando uma realidade.
O aperfeiçoamento da tecnologia embarcada nos veículos aliada ao crescimento do uso da internet das coisas e todo o aperfeiçoamento do sistema veicular nas estradas e rodovias contribuem para que a comunicação veicular seja possível e bem viável no futuro próximo.
Os veículos possuirão uma comunicação na nuvem muito bem desenvolvida, melhoramento nos
Comunicação veicular – Uma visão geral
Douglas da Silva Poubel, Engenharia Eletrônica e de Computação, UFRJ poubel.eletronica@poli.ufrj.br
sensores e uma interface com o usuário bem feita.
Com isso carros, caminhões, ônibus, motos entre outros veículos terão capacidade de receber diversas aplicações a fim de melhorar a segurança e
eficiência do transporte. A infraestrutura das estradas tem que acompanhar o desenvolvimento dos veículos para que a comunicação aconteça.
Através de Unidades de Infraestrutura de Beira de estrada – roadside infraestructure units (RSUs) – com bases moveis ou fixas a comunicação entre essas unidades e veículos terão como objetivo principal a troca de informações relevantes que serão usadas no tráfico de veículos nas estradas. Tal troca de informações também deve ocorrer entre os veículos ajudando no fluxo de dados em uma rua, estrada ou rodovia. Com esses dados o tráfico de veículos poderá ser diminuído, acidentes poderão ser evitados além de outros benefícios.
Fig. 1. Esquema de uma visão geral de como é a comunicação veicular entre carros em uma estrada.
A figura acima mostra a representação de como é a comunicação veicular de carros, seja entre eles ou entre eles e as unidades de infraestrutura (RSUs).
Como pode se observar na figura as informações são passadas constantemente entre veículos (V2V – vehicle-to-vehicle) e entre eles e a infraestrutura que fica posicionada fora de estrada de forma móvel ou fixa, na qual fazem a comunicação V2I (vehicle- to-infrastructure) ou V2R (vehicle-to-roadside).
Para fazer a comunicação veicular (VC) os carros são equipados com alguns equipamentos tais como processadores e micro controladores que são
responsáveis pelo controle de injeção de
combustível, freios, transmissão e carregamento de baterias. Outras tarefas são atribuídas a esses equipamentos como os protocolos de comunicação (V2V) e (V2I) e aplicações por eles suportadas.
Os equipamentos para fazer a (VC) são bem robustos e com grande poder de processamento, tanto para os PCs de carros quanto para as unidades de infraestrutura (RSUs).
Para ilustrar o que foi dito mostra-se o projeto CVIS, feito na União Europeia entre os anos de 2007 e 2011. Neste projeto existem dois PCs, um deles é responsável por executar todas as operações da rede além de funcionar como interface para os processadores e sensores do carro (esse PC é denominado mobile router) enquanto o outro PC cuida das aplicações para a comunicação veicular e da interface do usuário (esse PC é denominado mobile host. O mobile router possue um artao que integra sensores e resolve em nível de hardware, tarefas de tempo critico como aquisições em tempo real de localização, tempo e sincronização.
O CAN (Control Area Network) é usado para obter os dados adquiridos por sensores presentes nos circuitos desses PCs, tipicamente dados como velocidade, direção, temperatura, status de airbag, câmeras frontais e da parte de trás do carro, entre outros. Ao mesmo tempo, Global Navigation Satellite Systems (GNSS) e Global Positioning System (GPS) podem ser integrados no CAN além de outros sistemas como controles de radar e aviso de colisão. O cartão fornece dados do GPS para apurar tempo e posição, além de giroscópio e acelerômetros e uma interface para o barramento do CAN do veículo em questão.
O equipamento de comunicação é composto por tecnologias de diferentes características (taxa de bits, alcance de comunicação, potência de transmissão, bandas de frequência). Existe uma comunicação ad hoc de curto alcance para capacitar a comunicação V2V e a V2I. Além disso, uma comunicação de longo alcance para a V2I.
A base do sistema VC é uma variante do protocolo IEEE 80211.p.
Fig. 2. Esquema dos equipamentos que fazem a comunicação veicular ser possível.
Fig. 3. Esquema geral do projeto CVIS explicado anteriormente.
As duas figuras acima mostram o funcionamento já explicado do projeto CVIS para veículos em estradas. Note na figura 2 que o equipamento é bem robusto e comporta todos os sensores mencionados além da estrutura compacta e do uso de antenas para trocar informações entre carros e estruturas de beira de estradas.
III. DADOS E INTERNET SEM FIO
O sistema de comunicação veicular precisará de algum tipo de dispositivo para conectar carros e unidades de infraestrutura (RSUs), daí usam-se transceptores que atuam como transmissores e receptores. Com esse dispositivo garante-se a comunicação de carro com carro (V2V) e entre carro e RSU (V2I).
A especificação de algumas informações sobre os dispositivos usados é importante, assim como a de links de dados integrado ao sistema veicular.
Informações como: alcance, taxa de transmissão e recepção de bits e comprimento de banda são as mais requisitadas nos projetos pelo mundo a fora.
Algumas dessas informações podem ser vistas na figura 4, na qual compara valores entre duas tecnologias que é explicada nesse trabalho.
Fig. 4. Tabela de dados comparativa de duas tecnologias muito usadas nos projetos de comunicação veicular.
Uma grande preocupação para a comunicação veicular é quanto ao tempo de latência, que é o tempo que um dispositivo leva para retornar uma resposta depois que ele é acionado. No caso da comunicação veicular surge o seguinte exemplo: um carro em movimento em uma estrada, em certo momento ele freia ao se deparar com um buraco inesperado. Ao notar o buraco o sistema envia a informação para o próximo carro que vinha logo atrás e este pode tomar alguma ação. Este intervalo de tempo entre a percepção do buraco e o envio da informação é o tempo de latência.
A fim de garantir que o sistema funcione de maneira eficiente e consiga ter um baixo tempo de latência algumas modificações na rede são feitas.
Alterações feitas nos sistemas baseados no IEEE 802.11 permitem que a associação com pontos de acesso Wi-Fi seja mais rápida. Técnicas de entrega
de informação permite que nós de serviço de sistemas de celulares se movam rápido de uma estação base para a outra. É criada assim uma variação do IEEE 802.11, o 802.11p que atuará na melhora da comunicação entre carros.
O IEEE 802.11p é o componente mais estável do protocolo WAVE (wireless access in vehicular environment) caracterizado por ser um
melhoramento do tipo 802.11a e feito
especificamente para a comunicação veicular. Pode se citar algumas mudanças nessa versão, como:
trabalhar em uma banda de frequência de 10Mhz com uma taxa de dados de 6 a 54Mbps e operar em uma faixa de DSRC de 5,9Ghz. O MAC (camada de acesso de meio) é um 802.11e Enhanced
Distribuided Channel Access (EDCA) com suporte (QoS) quality of service. Essa camada junto com a PHY (camada de acesso físico) possui comunicação entre adhoc e OBUs (on-board units) assim como entre OBUs e RSUs. Um terceiro tipo de nó, essencial em redes Veiculares com o foco direcionado em segurança e trafego, são os dispositivos veiculares embarcados de acesso público (PSOBV, Public Access OBUs) que podem ser usados em ambulâncias e viaturas da polícia, por exemplo.
Fig. 5. Esquema básico de como ocorre a atuação do IEEE 802.11p na comunicação veicular.
Os padrões dividem a largura de banda em sete camadas de 10Mhz cada. Uma dessas camadas é
reservada para a faixa de controle, que faz o broadcast e o gerenciamento das comunicações, sendo que as outras seis camadas ficam
responsáveis pelos serviços. Os dispositivos podem trocar de canais quando necessário, mas devem ficar atentos ao canal de controle, já que não há
varreduras nas redes WAVE. Portanto, a principal diferença entre RSUs OBUs é que apenas o RSU pode enviar broadcast no canal de controle.
Um BSS (Basic Service Set) é a comunicação entre um conjunto de pontos de acessos, e sua principal função é controlar os recursos e acessos desses pontos, além de filtrar informações que irão para lugares sem BSS. Já o modo ad hoc segue procedimento semelhante de implementação de um IBSS (independente BSS). Os usuários da rede IEEE 802.11 percebem um BSS através de uma SSID (Service Set Identification) anunciada nas sondas nos pontos de acesso. Entretanto, as interfaces de rádio identificam um BSS no nível MAC pelo BSSID (BSS Identification), que tem formato semelhante ao endereço MAC. Cada BSSID deve identificar apenas um BSS, que em uma rede é na maioria das vezes escolhido como endereço MAC do ponto de acesso. Já no IBSS, costuma-se utilizar um endereço MAC administrado localmente, e que identifica o endereço como
individual ou local. O IEEE 802.11 define um BSSID especial, também chamado de coringa, e que pode ser utilizado apenas em quadros de
gerenciamento de tipo probe request.
O IEEE 802.11p faz com que uma entrada de um nó se torne um BSS devido à dinamicidade das redes veiculares. Segundo o padrão, uma estação em modo WAVE pode transmitir e receber quadros de dados com o tal do BSSID coringa, sem precisar estar associada com um BSS. Desta forma, podem- se enviar mensagens urgentes no canal de controle CCH. As aplicações que enviam essas mensagens podem gastar um tempo excessivo com a associação a um BSS no IEEE 802.11 original, o que de fato é um problema. E para resolver este problema usa-se o padrão IEEE 802.11p que define um novo tipo de BSS, o WAVE BSS, para reduzir esse tempo gasto.
Esse novo tipo é criado por uma estação RSU ou OBU através do envio de um quadro de anúncio, que pode ser repetido periodicamente ou não. Esse quadro contém todas as informações de que se precisa para uma estação reconhecer os serviços oferecidos nesse WAVE BSS e decida se associar
ou não. Caso a resposta seja sim, a estação completa o processo de entrada em um WAVE BSS baseada na recepção de um quadro de anuncio. Como os processos de associação e autenticação de um BSS no IEEE 802.11 foram eliminados, é reduzida a sobrecarga de tempo. Mesmo assim são deixadas algumas camadas superiores de gerenciamento e de segurança.
IV. APLICAÇÕES
A tendência em termos de aplicações para comunicação veicular (VC) é a divisão em três categorias principais: segurança no transporte, eficiência no transporte e serviços de usuários entregues ao veículo. As duas primeiras atuam no desenvolvimento de novos sistemas, enquanto que a terceira é responsável por alavancar sistemas recém produzidos e sistemas já existentes. Em muitos casos pode naturalmente misturar contextos de comunicação veicular (VC) e tecnologia da segurança da informação (ITS).
Projetos ao redor do mundo tem trabalhado nas estruturações e desenvolvimentos de aplicações para sistemas VC. Muitos destes projetos estão incompletos e necessitam de aperfeiçoamento futuro em suas características tecnológicas para funcionarem. Já outros possuem características completas e são melhorados em tempos em tempos.
Segue as três principais categorias para a maioria das aplicações:
Assistência ao motorista a fim de aumentar a segurança nos transportes através do
recebimento de informações que auxiliem o condutor nas buscas por serviços. Aplicações de divulgação de informações turísticas,
localização de postos de abastecimento, controle de frotas e cobranças em pedágios são exemplos de assistências ao motorista.
Dados e informações retiradas normalmente de regiões especificas como o sistema de
transporte, condições de tráfico, sistemas climáticos da região são disponibilizados para
os motoristas com a finalidade de melhorar a eficiência de transportes.
Os serviços de usuários são voltados para os motoristas e passageiros e visa deixar essas pessoas confortáveis e com possibilidade de realizar tarefas pessoais ou de negócios enquanto eles estão no veículo. Isto inclui adaptações de aplicações para internet para compartilhamento de conteúdo como músicas e filmes por exemplo.
Características fundamentais que aparecem nos três grupos citados acima.
Comunicação, determina o dado de ligação da internet sem fio necessário para o sistema de transporte veicular, com ad hoc e outras infraestruturas citadas no texto.
Tipo de mensagem, na qual especifica se a transmissão é periódica, disparada por um evento, limitada sobre um período curto, etc.
Latência crítica, é o tempo máximo de atraso que a aplicação requer do protocolo
subjacente da pilha para manipular e transmitir a mensagem.
Outras características, tais como a prioridade no controle de camada de médio acesso, na precisão do posicionamento, alcance de comunicação máximo recomendado, etc.
Algumas aplicações separadas por áreas de atuação:
A área de segurança no transito é vista como uma incentivadora da criação dos sistemas de
comunicação veicular. Em gera, as aplicações nesta área buscam reduzir os números e gravidades dos acidentes através da troca de informações entre veículos. Tais informações podem ser mostradas aos motoristas, passageiros ou usadas para ativar o sistema de segurança. Essas aplicações precisam ser robustas à inserção de mensagens falsas e lidar com informações conflitantes. Elas ainda exigem baixa latência e boa confiabilidade para as mensagens, exigindo características diferentes dos protocolos de camadas inferiores.
Uma forma de evitar acidentes por causa de veículos lentos, parados ou desgovernados é através do emprego de mensagens periódicas que gerem
dados como posição, velocidade e direção dos veículos. Outra forma seria disparar mensagens assíncronas quando um mecanismo de emergência fosse acionado. O CCA (Cooperative Collision Avoidance) [Biswas er al. 2006] é um exemplo de aplicação nessa categoria que tem por objetivo evitar colisões utilizando uma abordagem
cooperativa. O CCA envia mensagens em múltiplos saltos avisando aos motoristas da ocorrência de uma situação de emergência. Tal abordagem também pode ser usada em situações em que o motorista não possui visão completa. Por exemplo, o motorista poder saber da presença de veículos a sua frente através de sondas em situações de neblina, chuvas ou baixa visibilidade.
Já os casos em que os acidentes não possam ser evitados, mensagens informando a ocorrência evitam que veículos próximos à colisão se envolvam nestes acidentes. Além disso, as
mensagens enviadas podem acelerar o chamado aos serviços de emergências sem a necessidade da intervenção humana. Em situações onde três ou mais veículos se deslocam em uma via expressa e o primeiro da fila freia de forma brusca, cada veículo só conheceria a situação de perigo após o carro imediatamente a sua frente também frear. Nesse caso, a propagação da informação estaria
condicionada à atenção dos motoristas e ao tempo de reação de cada um deles que varia entre 0,7 a 1,5 segundos [Green 2000]. Um sistema de aviso poderia alertar todos os outros veículos com pequeno atraso, possibilitando maior tempo para redução da velocidade.
Existem ainda aplicações onde à troca de informações entre veículos permite a realização segura de manobras no transito, prevenindo acidentes. Como por exemplo, quando os veículos precisam realizar mudanças de faixas, mensagens podem ser trocadas a fim de evitar colisões laterais [Chen e Cai 2005].
O foco agora são as aplicações de entretenimento, e a maioria delas são propostas para trabalharem junto a internet. Nos dias de hoje os usuários estão mais dependentes da rede e desejam acessa-la a qualquer instante e em qualquer lugar. Por isso é necessário adaptar as aplicações mais usadas na internet de acordo com as características das redes de comunicação veicular. Os serviços que mais se destacam são: mensagens instantâneas, a troca de músicas e filmes e a distribuição de áudio e vídeo.
Na Internet, uma das principais aplicações e de grande sucesso é o compartilhamento de conteúdo baseado em sistemas par-a-par. Nas redes
veiculares, essa aplicação é denominada aplicação carro-a-carro (Car-to-Car - C2C) [Prinz et al.
2008]. A ideia básica é que os veículos troquem pedaços de arquivos desejados entre si, como ocorre no protocolo BitTorrent [Cohen 2008] usado na Internet. Para isso, os nós interessados em um dado arquivo se auto organizam, constroem uma rede sobreposta na camada de aplicação e trocam pedaços desse arquivo entre si. Um não pode receber pedaços do arquivo de diferentes fontes ao mesmo tempo.
Uma das propostas de sistemas par-a-par para compartilhamento de conteúdo em redes veiculares é o SPAWN [Nandan et al. 2005]. Diz-se que tal protocolo é adaptado para as redes sem-fio, pois utiliza mecanismos diferentes dos do BitTorrent para a descoberta de novos pares, para a seleção de pares e para o encaminhamento dos pedaços dos arquivos.
Fig. 6. Esquema ilustrando o funcionamento do SPAWN.
Da figura 6 temos que quando um novo nó entra no alcance de um gateway ele solicita o arquivo desejado (1). Se o gateway possui tal arquivo em seu cache, um pedaço do arquivo é enviado para o nó juntamente com uma lista de nós que
recentemente solicitaram esse mesmo arquivo (2).
Esse processo centralizado de descoberta de pares é similar ao do BitTorrent. Enquanto um nó está no alcance do gateway, ele recebe novos pedaços (3).
Ao sair do alcance do gateway, um nó busca novos pares para trocar os pedaços do arquivo. Porém, o conjunto de pares enviado do gateway pode não ser o suficiente para o funcionamento eficiente do sistema. Portanto, coloca-se um mecanismo descentralizado de descoberta de pares que aproveita a característica de difusão das
transmissões sem-fio. No SPAWN os nós enviam mensagens de atualização em difusão contendo o identificador do arquivo e um mapa de buffer, indicando mais pedaços desse arquivo pertencentes a esse nó. E como as mensagens são enviadas usando a difusão implementada pela camada MAC, os outros nós dentro do alcance da transmissão excitam as mensagens e pode a partir disso
descobrir os outros pares do sistema. O SPAWN é um algoritmo de seleção de pares baseado na distância entre os nós. Esse é o posto-chave do protocolo. Além do identificador de arquivo e do mapa de buffer, as mensagens de atualização contêm uma pilha de tempo, que indica quando foram originadas, e uma lista de identificadores dos nós que processaram essa mensagem anteriormente.
Com isso, é possível determinar a distância em número de saltos de um nó para um dado par que possui um pedaço desejado. Concluindo que um nó seleciona como parceiros os nós dos quais está mais próximo.
As aplicações que serão apresentadas agora têm como objetivo principal dar assistência aos motoristas, pelo auxilio destes com informações uteis. Informações como: aviso de estacionamentos, controle de trafego, auxilio a cruzamentos,
localização em mapas, aumento de visibilidade e veículos sem condutor humano. Estas podem ser oferecidas automaticamente em alguns momentos ou serem disponibilizadas para o condutor no mecanismo de busca.
As aplicações voltadas para vagas de
estacionamento são encontradas com facilidade no cenário atual. Um dos motivos é que aplicações deste tipo reduziriam os problemas de
congestionamento nas cidades além de ser
conveniente para os usuários. A Panayappan et al.
desenvolveram uma solução para controle e divulgação de vagas de estacionamento no ano de 2007. Tal trabalho faz com que a zona de
estacionamento seja dividida em zonas menores, de modo que cada zona dividida seja gerenciada por Unidade de Acostamento (RSU). Cada RSU fica responsável pelo controle de posição e estado das vagas e quando um veículo se aproxima dela, ela informa sua posição, obtida junto a um receptor GPS, e verifica para aonde o motorista deva ir. A RSU ainda verifica se existe vagas próximas ao destino desejado e, caso exista, informa ao
motorista. Na situação de um veículo se encaminhar para uma vaga, o RSU verifica se outros veículos estão ocupando tais vagas utilizando sensores ao redor do veículo. As informações coletadas sobre os estados das vagas próximas são enviadas à RSU.
Quando uma vaga surfe, ele informa a sua liberação. Esse trabalho foi apenas uns dos
exemplos de aplicações que existem no mundo com foco em auxiliar os motoristas.
Com relação a aplicações de modo geral, existem muitos estudos e trabalhos sendo feitos e já a muito tempo, sendo difícil falar de todos em apenas um texto só. Na figura 7 tem mais alguns projetos de comunicação veicular que contam com algumas aplicações bem interessantes.
Fig. 7. Tabela com alguns exemplos de projetos de comunicação veicular.
V. EXPECTATIVAS PARA O FUTURO
Nesse texto pôde-se ver o funcionamento da comunicação veicular, do sistema em si e suas aplicações. Embora a tecnologia responsável pelo sistema veicular (VC) esteja bem avançada e trabalhos na área sejam promissores, ainda existe preocupações a serem resolvidas.
Na parte de testes do sistema é importante fazer experimentos em grandes áreas com um trafico de veículos mais intenso a fim de estudar os limites do sistema. Esse estudo analisa o funcionamento da internet, aplicações com diferentes tipos de requisitos e outras tecnologias. Desta forma, consegue se aumentar a eficiência operacional nos momentos em que o sistema é muito exigido nos testes.
A partir das aplicações mostradas no tópico anterior pode se ter uma ideia que cada vez mais surgem trabalhos envolvendo comunicação
veicular, e que a cada trabalho mais se nota que os sistemas funcionam e vão sendo melhorados rapidamente.
A expectativa é que a cada ano sejam implantados mais sistemas de comunicação veicular no cotidiano de cada um, e daqui a uns vinte anos seja bem mais natural ver veículos autônomos pelas ruas e estradas além de toda infraestrutura desenvolvida para isso.
REFERENCES
[1] P. Papadimitratos, A. de La Fortelle, K. Evenssen, R. Brignolo e S. Cosenza (2009) IEEE. VC-systems-enabling-tech-ITS- outlook.
[2] W. A. Albano, M. Nogueira e J. N. de Souza, A Taxonomy for Resilience in Vehicular Ad hoc Networks, IEEE Latin America Transactions, Vol. 13, NO. 1, JAN. 2015.
[3] R. dos S. Alves, I. do V. Campbell,R. de S. Couto, M. E. M.
Campista e I. M. Moraes, Redes Veiculares: Princípios, Aplicações e Desafios, Rio de Janeiro, Brasil.
