Disseminação de dados em redes veiculares com diversas condições de tráfego de veículos

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Universidade Estadual de Campinas Instituto de Computação

INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO

Ademar Takeo Akabane

Disseminação de Dados em Redes Veiculares com

Diversas Condições de Tráfego de Veículos

CAMPINAS

2015

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Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): FAPESP, 2013/19371-9; CNPq,

147356/2013-0

Ficha catalográfica

Universidade Estadual de Campinas

Biblioteca do Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica Maria Fabiana Bezerra Muller - CRB 8/6162

Akabane, Ademar Takeo,

Ak12d AkaDisseminação de dados em redes veiculares com diversas condições de tráfego de veículos / Ademar Takeo Akabane. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.

AkaOrientador: Edmundo Roberto Mauro Madeira. AkaCoorientador: Leandro Aparecido Villas.

AkaDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação.

Aka1. Disseminação de dados. 2. Redes de sensores sem fio. 3. Redes de computadores. 4. Redes veiculares. I. Madeira, Edmundo Roberto

Mauro,1958-. II. Villas, Leandro Aparecido,1983-. III. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Computação. IV. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Data dissemination in vehicular networks with multiple traffic

conditions

Palavras-chave em inglês:

Data dissemination Wireless sensor networks Computer networks Vehicular networks

Área de concentração: Ciência da Computação Titulação: Mestre em Ciência da Computação Banca examinadora:

Edmundo Roberto Mauro Madeira [Orientador] Antonio Alfredo Ferreira Loureiro

Juliana Freitag Borin

Data de defesa: 09-09-2015

Programa de Pós-Graduação: Ciência da Computação

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INSTITUTO DE COMPUTAÇÃO

Ademar Takeo Akabane

Disseminação de Dados em Redes Veiculares com Diversas

Condições de Tráfego de Veículos

Banca Examinadora:

• Prof. Dr. Edmundo Roberto Mauro Madeira Instituto de Computação - UNICAMP • Prof. Dr. Antonio Alfredo Ferreira Loureiro

Departamento de Ciência da Computação - UFMG • Profa. Dra. Juliana Freitag Borin

Instituto de Computação - UNICAMP

A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

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Agradecimentos

Agradeço primeiramente à minha família. O apoio de todos foi de fundamental importân-cia para que eu embarcasse nessa difícil jornada em busca de novos desafios, aprendizados e desenvolvimento profissional e pessoal. Um brigado especial a meus pais, Daisaku e Mit-suko e ao meus irmãos, Shinji e Akio, que ao longo dessa caminhada sempre me apoiavam, independentes dos conflitos que surgiram.

Agradeço à minha noiva Elza (mais conhecida como Elzinha), pelo apoio e por ter tamanha paciência e compreensão comigo, em especial nos momentos em que não pude dar todo o carinho que era merecido.

Gostaria de agradecer ao meu orientador professor Edmundo Madeira, a qual con-tribuiu imensamente na jornada do meu trabalho, sempre me motivando a melhorá-lo e dando força para continuar. Obrigado ao meu coorientador professor Leandro Villas, por toda a ajuda e conselhos durante esses meses de muito trabalho.

Não poderia deixar de agradecer a todas pessoas que conheci em Campinas e hoje tornaram meus amigos, especialmente aos amigos do laboratório (LRC).

Agradeço à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP -2013/19371-9), pela concessão da bolsa e financiamento do projeto e também, ao Conse-lho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq - 147356/2013-0) pelo financiamento da pesquisa e por fim, ao programa de pós-graduação em Ciência da Com-putação do Instituto de ComCom-putação (Unicamp), pelo apoio operacional.

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Protocolos de disseminação de dados para redes veiculares dependem diretamente da topologia da rede para realizar a disseminação de forma eficiente. No entanto, a topologia desse tipo de rede varia constantemente devido ao comportamento dinâmico dos seus nós. Este fato contribui para o aumento na taxa de overhead e atraso de entrega dos dados. Logo, o maior desafio para protocolos de disseminação de dados é a sua adaptabilidade em diferentes tipos de topologia de rede. Outro desafio é tratar os problemas típicos em redes veiculares: tempestade de broadcast, particação da rede e fragmentação temporal da rede. Considerando os desafios apresentados, essa dissertação propõe quatro protocolos: ATENA, GTO, TURBO e CARRO. Os dois primeiros foram desenvolvidos para cenário rodoviário, o terceiro para operar em cenário urbano e o último para ambos cenários. Os protocolos propostos foram extensivamente comparados com outras soluções da literatura e os resultados mostraram que os protocolos propostos podem ser alternativas viáveis para realizar a disseminação de dados em ambos cenários e em diversas condições de tráfego. Os resultados das simulações dos protocolos propostos apresentaram um baixo overhead e garantia de entrega de messagem para a maioria dos veículos dentro da região de interesse.

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Abstract

Data dissemination protocols for vehicular networks are directly dependent on the net-work topology to perform the dissemination in an efficient way. However, the topology of vehicular networks is constantly changing due to the dynamic behavior of their nodes. This fact contributes to increase the overhead and the data delivery delay. Therefore, the main challenge for data dissemination protocols is their adaptability to different types of network topology. Besides, there are typical problems in vehicular networks that need to be addressed: broadcast storm, partition networks, and temporal network fragmenta-tion. Considering the challenges presented, this work proposes four protocols: ATENA, GTO, TURBO, and CARRO. The first two were developed for highway environments, the third to operate in urban environments, and the last for both environments. The proposed protocols have been extensively compared with other solutions from literature and the results showed that proposed solutions may be potencial alternatives to perform data dissemination in urban and highway environments with multiple traffic conditions. Simulation results showed that proposed protocols decrease the network overhead and guarantee message delivery to most vehicles in the region of interest.

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2.1 Tipos de arquiteturas de VANETs . . . 22

2.2 Canais disponíveis para o IEEE 802.11p [19] - Adaptado . . . 23

2.3 Pilha de protocolos WAVE [6]. . . 25

3.1 Taxonomia dos mecanismos de disseminação em broadcast [34] - Adaptado 29 4.1 Cenário rodovia . . . 37

4.2 Cenário urbano . . . 37

4.3 Fluxograma do funcionamento do SUMO [32] . . . 39

4.4 Hierarquia do simulador OMNet++ (adaptado-[41]) . . . 40

5.1 Zona de preferência para ambiente rodoviário . . . 43

5.2 Tráfego vs Cobertura . . . 45 5.3 Tráfego vs Trasmissão . . . 46 5.4 Tráfego vs Atraso . . . 46 5.5 Tráfego vs Colisão . . . 47 5.6 Tráfego vs Cobertura . . . 49 5.7 Tráfego vs Trasmissão . . . 50 5.8 Tráfego vs Atraso . . . 51 5.9 Tráfego vs Colisão . . . 51 5.10 Tráfego vs Transmitidos/Entregues . . . 52

6.1 Zona de preferência para ambiente urbano . . . 54

6.2 Fluxograma do protocolo TURBO . . . 55

6.3 Tráfego vs Cobertura . . . 57

6.4 Tráfego vs Trasmissão . . . 57

6.5 Tráfego vs Atraso . . . 58

6.6 Tráfego vs Colisão . . . 59

6.7 Tráfego vs Perda de Pacotes . . . 59

7.1 Fluxograma do protocolo CARRO . . . 62

7.2 Tráfego vs Cobertura . . . 64 7.3 Tráfego vs Trasmissão . . . 65 7.4 Tráfego vs Atraso . . . 66 7.5 Tráfego vs Recebido . . . 67 7.6 Tráfego vs Cobertura . . . 67 7.7 Tráfego vs Trasmissão . . . 68 7.8 Tráfego vs Atraso . . . 69

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Lista de Tabelas

1.1 Custo de congestionamento nas cidades de São Paulo e Rio de Janeiro. . . 17

2.1 Característica dos diferentes tipos de redes ad hoc [32] . . . 21

3.1 Resumo das abordagens dos protocolos de disseminação de dados. . . 35

4.1 Parâmetros dos três tipos de veículos . . . 40

5.1 Parâmetros de simulação para o protocolo ATENA . . . 45

5.2 Parâmetros de simulação para o protocolo GTO . . . 49

6.1 Parâmetros de simulação para o protocolo TURBO . . . 56

7.1 Parâmetros de simulação para cenário rodoviário . . . 63

7.2 Parâmetros de simulação para cenário urbano . . . 64

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AoI Area of Interest

ATENA dAta disseminaTion in highway scENArio BPSK Binary Phase Shift Keying

CARRO Context-Aware Routing pROtocol

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection DSRC Dedicated Short-Range Comunication

FCC Federal Communications Commission GPS Global Positioning System

GTO hiGhway broadcasT prOtocol

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers ITS Intelligent Transport Systems

MAC Media Access Control MANETs Mobile ad hoc Networks Mbps Megabytes per second

OMNet++ Network Simulation Framework OSM Open Street Maps

P2P Peer-to-Peer

QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying RSUs Road Side Units

SUMO Simulation of Urban MObility

TURBO suiTable URban Broadcast prOtocol VANETs Vehicular ad hoc Networks

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V2I Vehicle-to-Infrastructure V2X Hybrid Model (V2V + V2I)

WAVE Wireless Access in a Vehicular Environment WMNs Wireless Mesh Networks

WSMP WAVE Short Message Protocol WSNs Wireless Sensor Networks

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1 Introdução 15 1.1 Motivação . . . 16 1.2 Objetivos e Contribuição . . . 17 1.3 Publicação . . . 18 1.4 Estrutura da Dissertação . . . 18 2 Referencial Teórico 20 2.1 Redes Veiculares . . . 20 2.1.1 Arquitetura . . . 20 2.1.2 Mobilidade dos Nós . . . 22 2.1.3 Comunicação em VANETs . . . 23 2.1.4 Cenários . . . 24 2.1.5 Aplicação . . . 25 2.2 Resumo Conclusivo . . . 27

3 Disseminação de Dados e Trabalhos Relacionados 28 3.1 Disseminação de Dados . . . 28

3.1.1 Desafios na Disseminação de Dados . . . 29

3.2 Trabalhos Relacionados . . . 30

3.2.1 Protocolos para Cenário Rodoviário . . . 31

3.2.2 Protocolos para Cenário Urbano . . . 32

3.2.3 Protocolos para Ambos Cenários . . . 33

3.3 Resumo Conclusivo . . . 34 4 Ambiente de Simulação 36 4.1 Cenários . . . 36 4.1.1 Cenário Rodoviário . . . 36 4.1.2 Cenário Urbano . . . 37 4.2 Simulador de Mobilidade . . . 38

4.2.1 Simulation of Urban Mobility . . . 38

4.2.2 Mobilidade . . . 39

4.3 Simulador de Rede . . . 39

4.4 Resumo Conclusivo . . . 40

5 Protocolos para Cenário Rodoviário 42 5.1 ATENA . . . 42

5.1.1 Metodologia de Simulação . . . 43

5.1.2 Avaliação de Desempenho . . . 44

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6 Protocolo para Cenário Urbano 53 6.1 TURBO . . . 53

7 Protocolo para Cenário Rodoviário e Urbano 61 7.1 CARRO . . . 61

7.1.2 Avaliação de Desempenho para Cenário Rodoviário . . . 63

7.1.3 Avaliação de Desempenho para Cenário Urbano . . . 66

8 Considerações Finais e Trabalhos Futuros 71 8.1 Considerações Finais . . . 71

8.2 Limitações . . . 72

8.3 Trabalhos Futuros . . . 72

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Introdução

A evolução dos dispositivos de comunicação sem fio está proporcionando cada vez mais o crescimento acelerado das redes móveis sem fio. Uma das principais característica desse tipo de rede é a capacidade de comunicação entre os dispositivos (nós da rede) sem a necessidade de uma infraestrutura de apoio. As redes móveis sem fio possibilitam a livre movimentação dos dispositivos, além de possuir um baixo custo de instalação e de manutenção em comparação às redes cabeadas. Outro ponto interessante é a possibilidade de serem empregadas em locais de difícil acesso e locais distantes geograficamente dos centros urbanos.

Uma das formas de classificação das redes móveis sem fio é quanto às características da mobilidade de seus nós, podendo ser de duas maneiras [17] [28]:

• Infraestruturadas: toda a comunicação entre os nós da rede ocorre por meio das infraestruturas fixas de comunicação responsáveis pelo funcionamento da rede. Dessa forma, mesmo os nós localizados próximos uns dos outros não se comunicam diretamente;

• Ad hoc ou Mobile Ad hoc Networks - MANETs: toda a comunicação é realizada somente entre os nós da rede, não necessitando da disponibilidade de uma infraes-trutura de comunicação de apoio. Toda vez que, dois ou mais nós, muito distantes (fora de alcance do raio de comunicação) necessitam realizar a troca de informação, eles utilizam os nós intermediários para estabelecer o canal de comunicação.

Diferente das redes infraestruturadas, as MANETs empregam protocolos de rotea-mento na rede a fim de estabelecer a melhor rota de comunicação entre os nós. Entretanto, como os nós desse tipo de rede são móveis o protocolo de roteamento enfrenta alguns de-safios, uma vez que o roteamento nem sempre pode ser dado pelo mesmo caminho [17]. MANETs apresentam algumas características como, baixa largura de banda, transmissão de curto alcance e broadcast omnidirecional.

As redes ad hoc veiculares (Vehicular Ad Hoc Networks - VANETs) são um tipo es-pecial de MANETs, em que os nós móveis são constituídos por veículos automotores que possuem equipamentos embarcados de comunicação sem fio [30] [51]. Estes equipamentos possuem a capacidade de se comunicarem entre si e/ou com outros equipamentos fixos posicionados à margem das ruas e/ou estradas. Algumas das principais características

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 16

das VANETs são: mobilidade limitada pelas vias nas quais trafegam, porém com alta velocidade e fonte de energia altamente disponível devido à bateria dos automóveis [39]. Como os nós de VANETs são formados por veículos, surgem algumas características ine-rentes desse tipo de rede, são elas: topologia altamente dinâmica, frequentes desconexões com a rede, tempo reduzido em que os nós permanecem conectados e escalabilidade da rede [47].

As redes veiculares estão cada vez mais sendo investigadas tanto pela comunidade acadêmica quanto pelas empresas automobilísticas. Esse tipo de rede proporciona a im-plementação de várias aplicações com a finalidade de melhorar a gerência do trânsito, alertas de situações de emergência, entretenimento e acesso a Internet, além de proporci-onar maior conforto aos motoristas e passageiros.

1.1 Motivação

Sabe-se que grandes centros urbanos do mundo sofrem cada vez mais com problemas relacionados aos congestionamentos. Segundo o jornal on-line Brasil Econômico [15], a cidade de São Paulo teve um custo de R$ 52 bilhões com congestionamentos somente em 2012. O estudo realizado por Marcos Cintra [12] mostrou que o custo pecuniário de congestionamento na cidade de São Paulo foi de aproximadamente de R$ 33,5 bilhões. Desse valor, oitenta e cinco por cento estão associados com o tempo desperdiçado no trânsito; treze por cento são devidos à queima excessiva de combustível e dois por cento são decorrentes do aumento de emissão dos poluentes. Nesse trabalho o autor faz um alerta para o valor econômico das horas de trabalho desperdiçadas e a perda de qualidade de vida das pessoas, causada por estresse, esgotamento físico e danos psicológicos em decorrência do trânsito parado.

Segundo o site Agência Brasil [10], em 2013 os congestionamentos de trânsito registra-dos nas regiões metropolitanas do Rio de Janeiro e de São Paulo geraram custo econômico de R$ 98 bilhões. No caso da região metropolitana do Rio de Janeiro, o congestionamento atingiu 130 quilômetros em média, por dia, acarretando o prejuízo econômico de R$ 29 bilhões, equivalente a 8,2% do Produto Interno Bruto1 metropolitano. Já na região me-tropolitana de São Paulo, os congestionamentos somaram 300 quilômetros em média, por dia, com custo de R$ 69,4 bilhões, o que correspondeu a 7,8% do Produto Interno Bruto metropolitano. Conforme o site a situação pode se agravar, caso não forem tomadas medidas adequadas. A perspectiva para 2022 é que a região metropolitana do Rio de Janeiro pode ter um custo de R$ 40 bilhões com extensão diária de congestionamento para 182 quilômetros, enquanto que em São Paulo o congestionamento pode chegar a 357 quilômetros diariamente, com custo aproximado de R$ 120 bilhões.

Observa-se na Tabela 1.1 que o custo relacionado ao congestionamento é muito elevado e a cada ano esse custo tende a ser maior. Dado esse problema, pesquisas em Sistemas In-teligentes de Transporte (termo em inglês: Intelligent Transportation System) têm focado na eficiência da gestão de transporte e logística.

Uma das formas para amenizar os problemas causados pelo trânsito é por meio da

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Tabela 1.1: Custo de congestionamento nas cidades de São Paulo e Rio de Janeiro.

Ano Cidade Congestionamento Custo

2008 São Paulo - R$ 33 bilhões

2012 São Paulo - R$ 52 bilhões

2013 São Paulo 300 Km R$ 69,4 bilhões

2013 Rio de Janeiro 130 Km R$ 29 bilhões

2022 São Paulo 357 Km R$ 120 bilhões

2022 Rio de Janeiro 182 Km R$ 40 bilhões

adoção das redes veiculares. Devido às características inerentes das redes veiculares, a disseminação de dados a partir de um veículo fonte para todos os veículos dentro da área de interesse torna-se um dos principais desafios neste tipo de rede. O desafio é como distribuir informações de forma eficiente, considerando a dinâmica e a mobilidade dos veículos [47]. A disseminação de dados deve atender alguns requisitos de qualidade, tais como alta taxa de cobertura dentro de uma área de interesse, menor tempo na entrega das informações e pouca sobrecarga da rede (overhead ) [50].

Além disso, devido à alta dinamicidade da topologia em redes veiculares os protocolos de disseminação de dados devem ser robustos o suficiente para operarem em dois contextos típicos de redes: denso e esparso. Além desses dois contextos, há mais três problemas chave que devem ser considerados: tempestade de broadcast, partição da rede e fragmentação temporal da rede. Cada um desse problemas está detalhado na Seção 3.1.1.

A grande maioria das aplicações de redes veiculares tem como base a disseminação de dados, por exemplo:

• Gerenciamento de tráfego: informação sobre o tráfego de veículos, acidente, alagamento e manutenção das rodovias ou estradas:

• Entretenimento: compartilhamento de vídeos e áudios, jogos e chats;

• Publicidade: propaganda de restaurantes, cinemas, lojas, postos de combustível.

1.2 Objetivos e Contribuição

O principal objetivo deste trabalho é investigar as características e os padrões de com-portamento adotados pelos veículos nos cenários rodoviário e urbano, para que se possa projetar e implementar novos mecanismos para a disseminação de dados de acordo com a topologia local. Assim, o protocolo deve adaptar seu funcionamento de acordo com o tráfego de veículos em diferentes cenários. Além disso, o protocolo desenvolvido deve atacar os três principais problemas em redes veiculares: tempestade de broadcast, partição da rede e fragmentação temporal da rede.

A principal contribuição do trabalho é propor soluções que lidam com todos os pro-blemas apresentados na disseminação de dados, sem a necessidade de uma infraestrutura de apoio (RSUs - Road Side Unit ) no processo de disseminação. Em outras palavras,

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CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 18

empregar apenas a comunicação entre veículos (V2V - Vehicle-to-Vehicle), uma vez que a implantação de RSUs em todos os cruzamentos para apoiar a disseminação pode ser in-viável devido ao alto custo de implantação. Por meio dos mecanismos desenvolvidos (zona de preferência e store-carry-forward ) os protocolos deste trabalho reduziram o tempo de entrega, com baixa sobrecarga da rede sem comprometer a taxa de cobertura, comparado com outros protocolos da literatura.

1.3 Publicação

Os resultados obtidos nessa dissertação foram publicados em:

1. AKABANE, A. T.; VILLAS, L. A.; MADEIRA, E. R. M.. “Data dissemination in highway scenarios using car-to-car communication”. IEEE International Conference on Connected Vehicles and Expo. ICCVE-2013.

2. AKABANE, A. T.; MADEIRA, E. R. M.; VILLAS, L. A.. “ATENA: A Broadcast-Storm-Aware Solution for Highway Environments”. Revista IEEE América Latina, 2014.

3. AKABANE, A. T.; VILLAS, L. A.; MADEIRA, E. R. M.. “GTO: A Broad-cast Protocol for Highway Environments over Diverse Traffic Conditions”. IEEE International Symposium on Network Computing and Applications. NCA-2014. 4. AKABANE, A. T.; VILLAS, L. A.; MADEIRA, E. R. M.. “Suitable Vehicular

Broadcast Protocol under Different Traffic Patterns for Urban Scenarios”. Revista IEEE América Latina, 2015.

5. AKABANE, A. T.; VILLAS, L. A.; MADEIRA, E. R. M.. “An Adaptive Solution for Data Dissemination under Diverse Road Traffic Conditions in Urban Scenarios”. IEEE Wireless Communications and Networking Conference. WCNC-2015.

6. AKABANE, A. T.; VILLAS, L. A.; MADEIRA, E. R. M.. “A Context-Awareness Protocol for Data Dissemination in both Urban and Highway Scenarios”. IEEE/IFIP Network Operations and Management Symposium. NOMS-2016. (Submetido).

1.4 Estrutura da Dissertação

Esta dissertação encontra-se dividida em 8 capítulos. O Capítulo 2 apresenta uma vi-são geral sobre as VANETs abordando a arquitetura e as principais características. O Capítulo 3 apresenta as duas abordagens mais aplicadas na disseminação de dados (difu-são por múltiplos saltos e por único salto), os desafios encontrados nesse tipo de rede e trabalhos relacionados. O Capítulo 4 apresenta os ambientes de simulações empregados para realização dos experimentos. O Capítulo 5 apresenta as descrições dos protocolos (ATENA e GTO), metodologia de simulação e a análise dos resultados dos experimentos para cenário rodoviário. O Capítulo 6 apresenta a descrição do protocolo TURBO, me-todologia de simulação e a análise dos resultados dos experimentos para cenário urbano.

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O Capítulo 7 apresenta a descrição do protocolo CARRO, metodologia de simulação e a análise dos resultados dos experimentos para ambos cenários (rodoviário e urbano). Por fim, o Capítulo 8 apresenta as conclusões, limitações e trabalhos futuros.

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Capítulo 2

Referencial Teórico

Neste capítulo são apresentados conceitos básicos sobre as redes veiculares, a sua arqui-tetura, a mobilidade dos nós, o padrão de comunicações em redes veiculares, os tipos de cenários aplicados nesse tipo de rede e algumas aplicações existentes. Por fim, na última seção é descrita uma breve consideração final deste capítulo.

2.1 Redes Veiculares

Os avanços nas tecnologias de comunicação de curto alcance têm permitido o desenvolvi-mento de diferentes tipos de rede sem fio, com destaque para as redes ad hoc. Uma rede ad hoc é constituída por nós equipados com interfaces de comunicação sem fio, as quais permitem que os nós se comuniquem sem a necessidade de qualquer tipo de infraestru-tura de apoio [32]. As principais redes ad hoc são: MANETs, Wireless Mesh Networks (WMNs), Wireless Sensor Networks (WSNs) e VANETs. O foco dessa dissertação é nas redes veiculares.

As redes veiculares constituem um tipo especial de redes móveis sem fio, cuja principal característica é a capacidade dos veículos comunicarem entre si e com equipamentos fixos posicionados à margem das ruas e/ou estradas, como as RSUs. O objetivo principal das VANETs é garantir, de forma satisfatória, a comunicação entre os diversos veículos que estão inseridos na rede. Dessa forma, pode-se atender às condições necessárias de diversas aplicações voltadas para redes veiculares, com diferentes requisitos.

Na Tabela 2.1 são apresentadas de forma sucinta as principais redes ad hoc e as suas características.

2.1.1 Arquitetura

A arquitetura das VANETs define a forma como os nós se organizam e se comunicam. A comunicação entre veículos pode ser feita de três formas distintas [6] [26], a seguir os detalhes de cada uma delas:

1. Veículo-Veículo (V2V): permite a comunicação direta entre veículos sem depen-der do auxílio de uma infraestrutura de apoio estática [21]. Portanto, os próprios

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Tabela 2.1: Característica dos diferentes tipos de redes ad hoc [32]

Propriedade MANETs WMNs WSNs VANETs

Tamanho da rede

Médio Moderado Grande Grande

Mobilidade dos nós

Randômica Estática Em grande parte estática

Alta, não randômica Limitação de

energia

Alta Muito baixo Muito alto Muito baixa Poder

compu-tacional

- Alto Muito baixo Alto

Capacidade de armazena-mento

- Alto Muito baixo Alta

Dependência da localização

Alta Muito baixa Alta Muito alta

veículos encarregam-se de realizar a disseminação dos dados na rede, encaminhando-os por meio de outrencaminhando-os veículencaminhando-os por múltiplencaminhando-os saltencaminhando-os. Apesar dessa estrutura de redes ser simples, ela possui a desvantagem da conectividade depender diretamente da densidade e do padrão de mobilidade dos veículos;

2. Veículo-Infraestrutura (V2I): permite que veículos se comuniquem com uma in-fraestrutura de comunicação distribuída e estática às margens de ruas ou rodovias, conhecidas como RSUs [25]. As RSUs centralizam todo o tráfego da rede, servindo como nós intermediários de comunicação. A vantagem da arquitetura V2I é a am-pliação da conectividade e a possibilidade de comunicação com outras redes, como a Internet. Entretanto, todo esse benefício só é possível mediante a instalação de inúmeras RSUs nas margens de ruas e rodovias, o que aumenta muito o custo da implantação;

3. Arquitetura híbrida(V2X): combina soluções V2V e V2I. Neste caso, utiliza-se uma infraestrutura para aumentar a conectividade da rede. Isto é, um veículo pode comunicar com a infraestrutura estática em um único salto, ou por múltiplos saltos com outros veículos de acordo com a localização do nó na rede.

(21)

CAPÍTULO 2. REFERENCIAL TEÓRICO 22

Na Figura 2.1 são ilustradas as três arquiteturas de VANETs discutidas anteriormente.

(a) Veículo-Veículo (b) Veículo-Infraestrutura

(c) Híbrida

Figura 2.1: Tipos de arquiteturas de VANETs

2.1.2 Mobilidade dos Nós

As VANETs compartilham algumas características das tradicionais redes móveis sem fio, por exemplo, frequentes mudanças na topologia da rede, devido a mobilidade dos nós [47]. Entretanto, nas VANETs o tempo das conexões é reduzido, em virtude das altas velocidades atingidas pelos veículos. As perdas de conectividade entre os veículos durante a comunicação constituem outro desafio encontrado nesse tipo de rede. Por outro lado, a mobilidade dos veículos está limitada por uma topologia fixa (ruas, avenidas e rodovias) que muitas vezes impõe limites de velocidade. Além disso, a mobilidade também está res-trita pelos veículos das proximidades, tornando assim a mobilidade mais previsível. Esta previsibilidade pode ser um fator positivo a ser explorado no protocolo de disseminação de dados e aplicações sensíveis à localização [8] [32].

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2.1.3 Comunicação em VANETs

Para que a comunicação entre os veículos torne-se uma realidade foi necessário a evolução da tecnologia sem fio, em especial o padrão 802.11. Com base nisso, o IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) padronizou a comunicação das redes veiculares como WAVE (Wireless Access in the Vehicular Environment ). A arquitetura WAVE é definida pelos padrões da família IEEE 1609 em conjunto com IEEE 802.11, isto é, a arquitetura WAVE é definida por meio de seis documentos: IEEE P1609.1, IEEE P1609.2, IEEE P1609.3, IEEE P1609.4, IEEE 802.11 e IEEE 802.11p [19]. Cada um deles está sucintamente explicado na subseção Arquitetura WAVE. Esses documentos descrevem todas as camadas da pilha de protocolos WAVE e o objetivo principal da arquitetura WAVE é possibilitar as comunicações V2V e V2I.

Padrão IEEE 802.11p

A comunicação entre os veículos é realizada em uma faixa de frequência denominada DSRC (Dedicated Short-Range Comunication) [19], isto é, comunicação de curto alcance de forma ad-hoc. Em 1999 nos Estados Unidos, a FCC (Federal Communications Commission) alocou 75 MHz do espectro de frequências na faixa de 5,9 GHz para o DSRC, dividindo o espectro de frequência em sete canais de 10 MHz cada, como pode ser observado na Figura 2.2. Essa tecnologia de comunicação suporta tanto aplicações de segurança quanto de entretenimento em ambientes de redes veiculares e foi padronizado como IEEE 802.11p [6]. O padrão IEEE 802.11p é composto da camada física e de controle de acesso ao meio (MAC) do padrão IEEE P1609 [6]. O padrão IEEE 802.11p é uma extensão do padrão IEEE 802.11a, ajustado para operações com baixo overhead no espectro DSRC [21].

Pode-se observar na Figura 2.2 que um dos canais (ch178) é reservado apenas para o gerenciamento e para a troca de mensagens de controle da rede (control channel ). Os dois canais nas extremidades do espectro são reservados para usos especiais ou aplicações de alta prioridade: canal 172, para emergência e preservação da vida e canal 184, para segurança pública. Enquanto que os restantes são canais de serviço (Service Chanel ) disponíveis para aplicações de segurança e de usuário.

Figura 2.2: Canais disponíveis para o IEEE 802.11p [19] - Adaptado

O padrão IEEE 802.11p define melhorias, em relação ao padrão 802.11, necessárias para as aplicações de sistemas de transportes inteligentes (Intelligent Transport Systems - ITS). As melhorias incluem a capacidade de troca de conteúdos entre veículos que estão trafegando em alta velocidade, e entre veículo em movimento e a infraestrutura. Há dois principais parâmetros na camada física do padrão 802.11p: (i) Taxas de transferência de

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dados que podem ser ajustadas em: 3, 4.5, 6, 9, 12, 18, 24 e 27 Mbps (Megabits per second ) e (ii) as modulação BPSK (Binary Phase Shift Keying), QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), 16 e 64 QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Em relação à camada de enlace, emprega o protocolo CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) como método de acesso ao meio [19].

Arquitetura WAVE

Conforme mencionado anteriormente, a arquitetura WAVE é definida por meio de seis documentos, designando uma família de padrões e não se restringindo somente às camadas MAC e física. Na Figura 2.3 é apresentada a pilha de protocolos WAVE. Em seguida segue a explicação sucinta de cada um dos seis documentos [6]:

• IEEE P1609.1: especifica os serviços e as interfaces da aplicação de gerenciamento de recursos da arquitetura WAVE;

• IEEE P1609.2: define os formatos e os processamentos seguros das mensagens; • IEEEP1609.3: define os formatos específicos dos serviços das camadas de rede e

transporte, incluindo o endereçamento e o roteamento;

• IEEE 1609.4: define a MIB (Management Information Base) para a pilha WAVE; • IEEE P1609.4: define as modificações no padrão 802.11 para operação em

múlti-plos canais;

• IEEE 802.11p: define as diferenças específicas do controle de acesso ao meio em ambientes de comunicação WAVE com relação ao IEEE 802.11 tradicional.

Os documentos da família IEEE 1609 definem um conjunto de padrões para a comuni-cação em VANETs. O principal objetivo dessa família é prover um conjunto padronizado de interfaces para que diferentes fabricantes de automóveis possam prover comunicações entre veículos ou veículo e infraestrutura [6]. Pode-se observar que a arquitetura WAVE possui duas pilhas de protocolos, uma para o padrão da Internet (IP- Internet Proto-col ) e outra com base no protoProto-colo WSMP (WAVE Short Message ProtoProto-col ), a qual foi projetada visando a comunicação em ambientes veiculares.

2.1.4 Cenários

Os cenários em redes veiculares geralmente são classificados em três grupos: urbano, rodoviário e rural [32]. A seguir estão os detalhes de cada um deles:

• Cenário urbano: na maioria da vezes a densidade dos veículos tende ser alta e ade-senvolvidas velocidade com que eles trafegam geralmente é baixa. Nessa situação a comunicação por múltiplos saltos pode ser favorecido. Mas, esse cenário pode variar de acordo com o horário, por exemplo: durante a madrugada o tráfego de veículos geralmente é muito baixo, este cenário pode prejudicar a comunicação por múltiplos saltos. Além disso, acidentes e obras na pista podem influenciar o comportamento do trânsito prejudicando a comunicação;

(24)

Figura 2.3: Pilha de protocolos WAVE [6].

• Cenário Rodoviário: os veículos na maioria das vezes trafegam com alta veloci-dade, uma vez que não há semáforos nem cruzamentos. O tempo de conectividade entre os veículos que estão trafegando na mesma direção, neste tipo de cenário, tende a ser maior do que em cenários urbanos e, também há uma forte tendência de formar grupos de veículos, ou seja clusters;

• Cenário Rural: a densidade dos veículos é baixa resultando uma rede com co-nectividade intermitente. Dessa forma a rede é particionada em pequenos grupos de veículos formando clusters. Como a conectividade é intermitente, logo há neces-sidade de elaborar soluções para encaminhar os pacotes de dados, uma delas é o emprego das RSUs.

2.1.5 Aplicação

As VANETs têm atraído atenção das comunidades acadêmicas e das indústrias automo-tivas pela sua aplicabilidade, um exemplo disso é o Sistema de Transportes Inteligentes. Cada vez mais as empresas automotivas estão embarcando softwares e hardwares nos veí-culos para melhorar a dirigibilidade e o conforto dos usuários. Esse fato, somado com a exigência do mercado por mais segurança, confiabilidade e entretenimento nos veículos, levou ao desenvolvimento das redes veiculares e suas aplicações [24].

As aplicações de redes veiculares podem ser divididas em dois grandes grupos: aplica-ções de segurança e aplicaaplica-ções de conforto [18].

(25)

Aplicação de Segurança

As tecnologias de segurança mais comuns empregadas nos veículos atuais são: (1) sensores capazes de detectar e alertar o condutor sobre os obstáculos que estão nas proximidades do veículo; (2) limpadores de pára-brisa inteligentes que utilizam sensores de chuva; (3) sensor de luminosidade para acendimento automático dos faróis em ambiente de baixa intensidade de luz; e (4) sistema de navegação, por exemplo o GPS (Global Positioning System). Nessas tecnologias a interação ocorre apenas do veículo para o condutor, ou seja, essas tecnologias não estão aptas para compartilhar dados entre veículos da vizi-nhança. Essa limitação incentivou o desenvolvimento das redes veiculares e dos Sistemas de Transportes Inteligentes.

De maneira geral, as aplicações de segurança possuem caráter preventivo e emergen-cial, cujo foco principal é disseminar rapidamente as informações para que o motorista, ou o sistema de segurança, tenha tempo necessário para realizar alguma ação e evitar uma situação de perigo para os integrantes dos veículos [24]. Nesse tipo de aplicação a comunicação é realizada por meio de múltiplos saltos com o intuito de maximizar a disseminação da informação. Alguns requisitos que podem ser destacados nesse tipo de aplicação: baixa latência, alta cobertura e alta confiabilidade das informações [24].

As aplicações de segurança podem ser divididas em cinco diferentes grupos [5]: • Sistema anticolisão em cruzamentos: esse tipo de sistema auxilia o

gerenci-amento do fluxo dos veículos nos cruzgerenci-amentos. Geralmente, esse tipo de sistema emprega as tecnologias de comunicação V2V e V2I para o processo de disseminação da informação. A infraestrutura localizada no cruzamento coleta os dados relativos ao tráfego e os analisa para determinar se há possibilidade de ocorrência de acidente. • Segurança pública: esse tipo de sistema auxilia as equipes de emergência na provi-são de seus serviços, ou seja, aplicações em segurança pública focam em minimizar o tempo de deslocamento das equipes de resgate até o local do acidente. Outra aplicação é o gerenciamento do tráfego no local do acidente para evitar acidentes secundários.

• Sinalização estendida: o objetivo desse tipo de sistema é manter o motorista com a atenção voltada para o trânsito. Uma vez que, com a evolução na área da telefonia celular muitos motoristas deslocam a sua atenção para os dispositivos enquanto estão dirigindo.

• Diagnóstico e manutenção de veículos: esse tipo de aplicação tem a finalidade de alertar o proprietário do veículo sobre um possível defeito que pode comprometer a sua segurança. Por exemplo, uma chamda de recall da concessonária para a troca de alguma peça com defeito. Nessa categoria de aplicação uma infraestrutura pode enviar mensagens para os veículos que necessitam realizar o reparo.

• Informação de outros veículos: esse tipo de aplicação tem o objetivo de alertar veículos vizinhos sobre um determinado evento, por exemplo: mudança de faixa, alerta sobre a condição da via e acidentes. Essa categoria de aplicação na maioria das vezes utiliza somente a comunicação entre veículos.

(26)

Aplicação de Conforto

A maioria das aplicações nessa categoria está voltada para o entretenimento, com intuito de atribuir maior conforto durante o percurso da viagem. Algumas das aplicações são simples adaptações da Internet, por exemplo: compartilhamento de arquivos, correio eletrônico e download de vídeo e música. Muitas aplicações de redes veiculares dessa categoria empregam modelos P2P (Peer-to-Peer ), ao invés do modelo centralizado [6]. Em Lee et al. [24], os autores classificam as aplicações P2P de acordo com a atuação dos veículos na rede:

• Fonte de dados: neste tipo de aplicação os veículos são apenas fontes de dados. Por meio dos dipositivos embarcados os veículos podem sensoriar o ambiente e coletar os dados. Os dados coletados podem ser por exemplo, imagens de trânsito das ruas, avenidas e/ou rodovias. Após a fase de coleta, os veículos realizam o processamento de dados e encaminham a informação extraída alertando os possíveis congestionamentos e/ou acidentes.

• Consumidor de dados: nessa categoria de aplicação os veículos são apenas con-sumidores de conteúdos. Os conteúdos podem ser desde arquivos de multimídia à informações sobre as condições das vias. Nesse tipo de aplicação destacam-se streaming de filmes, músicas e aplicações de navegação.

• Consumidor e produtor de dados: nesse tipo de aplicação os veículos são pro-dutores e consumidores de conteúdos. Nessa categoria destacam-se aplicações inte-rativas como jogos on line e vídeo conferência.

• Intermediários: todas as categorias de aplicações, anteriormente citadas, necessi-tam empregar veículos intermediários para realizar a comunicação ou o encaminha-mento das mensagens. Logo esses veículos que fornecem suporte de comunicação para outros veículos são os nós intermediários.

2.2 Resumo Conclusivo

As VANETs herdam algumas características das MANETs, pelo fato de serem um caso especial de MANETs. Além disso, as VANETs possuem características inerentes como a alta mobilidade dos nós da rede, energia praticamente ilimitada e a mobilidade dos veícu-los está limitada por uma topologia fixa (ruas, avenidas e rodovias). Neste capítulo foram apresentados os conceitos básicos sobre as redes veiculares e as três arquiteturas tradici-onais de comunicação (V2V, V2I e V2X). Em seguida foi detalhado o funcionamento do mecanismo de comunicação empregado nas redes veiculares, mais conhecido como WAVE e os três cenários que podem ser aplicados (urbano, rural e rodoviário). Por fim, foram apresentados algumas aplicações para redes veiculares.

(27)

Capítulo 3

Disseminação de Dados e Trabalhos

Relacionados

Este capítulo está dividido em três seções. Na primeira seção são abordados conceitos relacionados à disseminação de dados e seus principais desafios, enquanto que, na segunda seção são apresentados os trabalhos relacionados. Por fim, na última seção é descrita uma breve consideração final deste capítulo.

3.1 Disseminação de Dados

A alta mobilidade dos nós e a topologia dinâmica são características que geram grandes desafios em VANETs. Esse alto dinamismo representa um empecilho nas comunicações e na disseminação de dados, visto que o tempo de contato entre os veículos na maioria das vezes é muito pequeno [25]. A disseminação de dados é uma função vital em VANETs, pois uma determinada informação pode interessar a um grupo de veículos de uma determinada região. Além disso, em cada cenário (rural, rodoviário e urbano) a rede veicular comporta-se de maneira distinta. Por exemplo, em cenário urbano a concentração de veículos é maior (rede densa) em relação ao cenário rural (rede esparsa). Com isso, uma solução de disseminação de dados proposta para cenários rurais pode causar alta taxa de overhead quando aplicada em cenários urbanos. Por outro lado, uma solução proposta para cenário urbano pode acarretar uma queda de desempenho quando aplicada em cenário rural, devido à ausência de veículo para continuar o processo de disseminação de dados.

A disseminação dos dados pode ser realizada por meio do mecanismo de difusão, mais conhecido como broadcast. No mecanismo de broadcast os veículos podem disseminar os dados sem a necessidade de conhecer o endereço e a rota para um destino final. Com isso eliminando a complexidade da descoberta de rotas e da gerência da topologia [34]. Segundo os autores Panichpapiboon & Pattara-Atikom [34], o mecanismo de broadcast pode ser classificado em dois grandes grupos:

• Multi-hop broadcasting (difusão por múltiplos saltos): os dados propagam por meio da rede empregando um modelo bem conhecido como inundação (ou flooding). O funcionamento desse modelo é bem simples, a cada nova informação que o veículo recebe ele retransmite para os veículos da vizinhança, e assim por diante. Dessa

(28)

forma, a informação será propagada a partir de um veículo fonte para os demais veículos;

• Single-hop broadcasting (difusão por único salto): diferente do mecanismo ante-rior, ao receber uma informação os veículos irão armazená-la em um buffer local e esperar até o próximo ciclo de difusão dos dados, para então retransmití-la. Dessa forma, a propagação está diretamente relacionada com o tráfego de veículos. Na Figura 3.1 é apresentada a taxonomia dos mecanismos de disseminação de dados por meio do mecanismo de broadcast e suas respectivas abordagens.

Figura 3.1: Taxonomia dos mecanismos de disseminação em broadcast [34] - Adaptado

3.1.1 Desafios na Disseminação de Dados

Durante a elaboração do protocolo de disseminação de dados eficiente para redes veiculares é necessário considerar três problemas chave [42]: tempestade de broadcast, partição da rede e fragmentação temporal da rede. A seguir estão os detalhes de cada um deles. problema

Tempestade de Broadcast

Tempestade de broadcast ocorre quando inúmeros veículos tentam transmitir um pacote de dados simultaneamente. Dessa forma, ocasionando elevado tráfego de dados, conges-tionamento na rede, colisões de pacotes e atraso adicional no controle de acesso ao meio (MAC). Esses problemas apresentados são mais frequentes em protocolos de disseminação de dados com base em inundação (Flooding) [40]. Na técnica com base em Flooding, cada veículo retransmite o pacote de dados para todos os seus vizinhos, que estão localizados dentro do raio de comunicação, a cada vez que recebe um novo pacote de dados.

Para evitar os problemas decorrentes dessa técnica, muitos protocolos selecionam de-terminados veículos para continuar o processo de disseminação de dados. Alguns proto-colos selecionam veículos com base na informação geográfica de cada veículo [14], outros selecionam veículos com base na distância entre o veículo receptor e o emissor [20] [22].

(29)

CAPÍTULO 3. DISSEMINAÇÃO DE DADOS E TRABALHOS RELACIONADOS 30

Partição da Rede

Partição da rede ocorre no momento em que a quantidade de veículos dentro da área de interesse (Area of Interest - AoI) é insuficiente para prover a continuidade da disseminação de dados para todos os veículos que se encontram nessa área. Isso geralmente ocorre devido que, nessa área, podem existir grandes obstáculos como: represa, barragem, estádios, grandes parques e prédios. Nesse cenário, durante a disseminação, o pacote de dados não pode alcançar o veículo vizinho devido ao obstáculo entre eles, dessa forma o pacote não chegará a todos veículos que estão dentro da área de interesse.

Uma solução para esse tipo de cenário é o emprego do mecanismo de store-carry-forward [13] [29] [52]. Este mecanismo emprega a seu favor a dinamicidade da rede para carregar o pacote de dado em um buffer interno e retransmití-lo no momento em que há pelo menos um veículo vizinho, que possa continuar o processo de disseminação de dados. Essa técnica aumenta o atraso na entrega do pacote de dados, entretanto evita que o pacote seja perdido.

Fragmentação Temporal da Rede

Fragmentação temporal da rede é uma partição da rede de curta duração [27]. Isto acon-tece devido à alta dinamicidade dos nós da rede e à tendência dos veículos se locomoverem em grupos. Assim, em determinado momento os grupos não possuem mais conexão entre si.

Uma solução para esse tipo de problema é descobrir rotas alternativas de disseminação de dados antes do início da transmissão [31]. No entanto, a complexidade de encontrar rotas alternativas muitas vezes é alta [11]. Outra alternativa viável é o emprego do mecanismo store-carry-forward para solucionar o problema de fragmentação temporal da rede.

3.2 Trabalhos Relacionados

Nesta seção é descrita a revisão bibliográfica dos protocolos de disseminação de dados mais estudados da literatura. Muitas soluções de disseminação de dados por meio de broadcast e por múltiplos saltos têm sido propostas para VANETs. Uma abordagem mais simples é o protocolo Flooding. Este protocolo opera da seguinte maneira: todos os veícu-los que estão localizados dentro do raio de comunicação do veículo transmissor, recebem e retransmitem a mensagem. Dessa forma, a retransmissão é feita a cada diferente men-sagem por todos os veículos localizados dentro do raio de comunicação. Esta abordagem garante um desempenho aceitável para redes esparsas, mas conforme a densidade da rede aumenta começa a surgir o problema bem conhecido de tempestade de broadcast. Em vista disso, as propostas de disseminação de dados focam principalmente na forma como os dados são disseminados para evitar o problema de tempestade de broadcast. Além disso, deve-se considerar outro cenário quando o processo de disseminação de dados não é possível, devido que a rede está temporariamente desconectada.

Todos os protocolos apresentados nas próximas seções empregam apenas a comunica-ção V2V no processo de disseminacomunica-ção de dados, uma vez que o objetivo do trabalho é

(30)

propor protocolos de disseminação de dados sem a necessidade de infraestrutura de apoio. Este capítulo está dividido em três subseções: na Subseção 3.2.1 são descritos os protoco-los para disseminação de dados em cenário rodoviário; na Subseção 3.2.2 são descritos os protocolos para cenário urbano e, por fim, na Subseção 3.2.3 são descritos os protocolos para ambos cenários.

3.2.1 Protocolos para Cenário Rodoviário

O protocolo Distributed Vehicular Broadcast (DV-CAST) proposto por Tonguz et al. [38] emprega a topologia local (lista de veículos vizinhos de um salto) como principal critério para determinar como a retransmissão de mensagem será efetuada. O protocolo DV-CAST emprega dois mecanismos: detecção de veículos vizinhos e supressão de broadcast. O mecanismo detecção de veículos vizinhos estima a topologia local por meio do monito-ramento de pacotes beacons trocados periodicamente entre os veículos. Com a topologia local é possível determinar a direção em que os veículos vizinhos estão trafegando e se eles são bons candidatos para continuar o processo de disseminação de dados. A motiva-ção para utilizar a informamotiva-ção da topologia local é minimizar o custo adicional na rede e manter a complexidade mínima do protocolo. Já o mecanismo de supressão de broadcast é aplicado em redes densas, para isso emprega a técnica de weighted p-persistence (Pij =

Dij

R ) [48]. Onde, Dij é a distância relativa entre os veículos transmissor (i) e o receptor (j) da mensagem e R é a média do raio de transmissão entre os veículos. DV-CAST emprega um tempo de espera aleatório (γ) para decidir se retransmitirá a mensagem. No contexto de rede densa, o veículo j receberá mensagens duplicadas da vizinhança durante γ, assim o veículo j selecionará os veículos com menor Pij para continuar o processo de disseminação de dados.

O trabalho de Schwartz et al. [35] apresenta o protocolo Simple and Robust Disse-mination (SRD). Este protocolo foca em dois problemas encontrados na disseminação de dados em redes veiculares: tempestade de broadcast e partição temporal da rede. Para tempestade de broadcast emprega o mecanismo chamado de optimized broadcast sup-pression. Este mecanismo é baseado no mecanismo slotted 1-persistence do trabalho de Wisitpongphan et al. [48] com alteração na fórmula para garantir melhor distribuição dos tempos de espera entre todos os veículos envolvidos na disseminação de dados. O tempo de espera varia de acordo com a direção dos tráfegos de cada veículo. Veículos que estão na mesma direção em que a informação necessita ser disseminada possuem menor tempo de espera, caso contrário possuem tempo de espera maior. Para determinar a direção de cada veículo, o protocolo SRD assume que todos os veículos possuem um dispositivo de localização, como o GPS. O tempo de espera (S) é calculado com base na seguinte fórmula: Sij = bN S × (1 − P Dij)c, onde i e j representam os veículos transmissor e receptor, respectivamente, P Dij = [M in(D_R ij)], N S é o tempo de espera de acordo com a direção. Para partição temporal da rede emprega-se o mecanismo de store-carry-forward [13] [29] [52].

(31)

3.2.2 Protocolos para Cenário Urbano

O trabalho de Bakhouga et al. [7] apresenta o protocolo chamado de Approach for In-formation Dissemination (AID). Este trabalho propôs um método com base estatística para o processo de disseminação de dados. Nesta abordagem, cada veículo decide se deve ou não retransmitir a mensagem com base no resultado do cálculo do limiar (γ_/

C - ∆ti).

Onde, γ é o tempo de espera aleatório gerado a partir do recebimento de uma nova mensa-gem, C é a quantidade de mensagens redundantes recebidas no intervalo de tempo γ e ∆ti é o intervalo de tempo entre cada mensagem redundante recebida durante γ. Após expirar o tempo de espera (γ), se o valor de C é baixo significa que há poucos veículos informados e consequentemente o intervalo de tempo entre cada mensagem duplicada é alto. Como consequência o resultado do cálculo do limiar será maior que zero (γ_/

C - ∆ti > 0), caso contrário, o resultado será menor que zero. Toda vez que o resultado do limiar for maior que zero o veículo retransmite a mensagem recebida. Com base nessa métrica, em redes densas vários veículos podem decidir não retransmitir a mensagem, uma vez que a mesma mensagem foi encaminhada por diversos veículos, dessa forma, reduzindo o problema de tempestade de broadcast. Por outro lado, dependendo do tempo aleatório escolhido o atraso na entrega da mensagem pode ser alto.

No trabalho de Kim et al. [22] foi proposto o protocolo chamado de Distance Based Relay Selection (DBRS), o qual emprega uma simples estratégia para a disseminação de dados. O protocolo funciona da seguinte maneira: ao receber uma mensagem, o veículo mantém a mensagem por um intervalo de tempo que é proporcional ao inverso da sua distância até o veículo transmissor. Dessa forma, o processo de transmissão sempre será efetuado pelo veículo mais distante do veículo transmissor da mensagem. Por consequên-cia, veículos mais próximos do veículo transmissor recebem a mesma mensagem repetidas vezes durante o intervalo de tempo. Assim, os veículos mais próximos do veículo trans-missor cancelam a sua transmissão com intuito de evitar o surgimento do problema de tempestade de broadcast. Esta abordagem é eficaz uma vez que ela pode evitar o problema de tempestade de broadcast, entretanto pode acarretar dois problemas: (i) o atraso pode ser elevado, pois não há garantia da existência de veículos dentro do raio de comunica-ção do veículo transmissor e (ii) a cobertura pode ser reduzida, uma vez que os veículos suspenderão as suas transmissões de forma indiscriminada ao receber o mesmo pacote.

O protocolo GEographical Data Dissemination for Alert Information (GEDDAI) pro-posto por Villas et al. (GEDDAI) [44] seleciona alguns veículos de maior prioridade, que estão dentro do raio de transmissão do veículo transmissor, para continuar o processo de disseminação de dados. Veículos prioritários são aqueles que estão localizados mais próximos da borda do raio de transmissão do veículo transmissor e dentro de uma região conhecida como sweet spot. Ou seja, os veículos prioritários possuem menor tempo de espera do que veículos não prioritários. O cálculo do tempo de espera padrão para todos os veículos dentro do raio de transmissão é feito da seguinte maneira: (Tj = 0.01 × (

Dij

R )),

onde Dij é a distância relativa entre os veículos transmissor (i) e o receptor (j) da mensa-gem e R é o raio de transmissão de j. Além disso, caso o veículo esteja localizado dentro do sweet spot acrescentará um fator multiplicador que diminuirá o tempo de espera pa-drão. Essa técnica é eficiente no combate à tempestade de broadcast, entretanto, não trata

(32)

o problema de redes esparsas.

O protocolo An Urban Vehicular Broadcast Protocol (UV-CAST) proposto por Viriya-sitavat et al. [46] foca em ambos contextos de rede veicular para a disseminação de dados: densa e esparsa. Nesse protocolo supõe-se que todos os veículos estão equipados com um mapa digital. O protocolo UV-CAST emprega a troca de periódicos pacotes beacons para obter informações dos veículos das vizinhanças. A cada nova mensagem recebida, o veículo utiliza a informação coletada das vizinhanças de um salto para decidir qual dos mecanismos deve ser empregado: supressão de broadcast ou store-carry-forward. No contexto de rede densa, todos os veículos realizam o cálculo do tempo de espera, porém aqueles que estiverem em uma intersecção possuem menor tempo. A seguir é demonstrado a equação do cálculo do tempo para um veículo j:

Tj = (₁

2(1 −

Dij

R )Tmax se j está em uma intersecção 1

2(2 −

Dij

R )Tmax caso contrário

onde, i e j representam os veículos transmissor e receptor, respectivamente, Dij é a distância relativa entre os veículos i e j, R representa o raio de transmissão do veículo i e TM ax é o tempo máximo de espera estipulado (500 ms). Após expirar o tempo Tj e o veículo não receber nenhuma mensagem duplicada, então ele encaminha a mensagem. Caso contrário o veículo descarta a mensagem. O protocolo UV-CAST retransmite a mensagem toda vez que encontra um veículo sem a mensagem. Com isso ocasionando desnecessárias transmissões, especialmente em redes densas. Na rede esparsa emprega-se o mecanismo de store-carry-forward [13] [29] [52].

3.2.3 Protocolos para Ambos Cenários

No trabalho de Schwartz et al. [37] foi proposto o protocolo chamado de Adaptive Multi-Directional data Dissemination (AMD). O protocolo AMD foi projetado para operar tanto em cenário rodoviário quanto em cenário urbano. Nesse protocolo supõe-se que todos os veículos estão equipados com um dispositivo que provê um mapa digital, como um GPS, para auxiliar na disseminação de dados. Dessa forma se um veículo está localizado no cenário de rodovia, a disseminação de dados será dada em ambas direções. Por outro lado, no cenário urbano, a disseminação de dados será dada em todas as possíveis direções. Por exemplo em uma intersecção teria quatro possíveis direções para continuar o processo de disseminação. Além dos dois cenários, o protocolo AMD trata o problema de tempestade de broadcast e da partição temporal da rede. Para a tempestade de broadcast foi proposto o mecanismo de supressão por tempo de espera conhecido como Distributed Optimized Time (DOT) [36]. Este protocolo emprega a troca periódica de pacotes beacons para obter informações dos veículos a um salto de distância, tais como: identificação única do veículo, posição geográfica, velocidade relativa e direção do deslocamento. O funcionamento do mecanismo DOT consiste de três partes: (i) adiciona todos os veículos que estão dentro do raio de transmissão do veículo transmissor ou receptor da mensagem em uma tabela; (ii) cria uma nova tabela e a ordena de acordo com a distância entre o veículo transmissor e o receptor; e (iii) cria uma outra tabela e a ordena de acordo com a velocidade relativa

(33)

de cada veículo. Com base nessas tabelas é calculado o tempo de espera de cada veículo antes de continuar a disseminação dos dados. A disseminação é feita pelos veículos mais distantes do veículo transmissor e com maior velocidade. Já para partição temporal da rede é empregado o mecanismo de store-carry-forward [13] [29] [52].

O protocolo Data Dissemination Protocol in Vehicular Networks (DRIVE) proposto por Villas et al. [45] foca em ambos contextos de rede veicular para a disseminação de dados: denso e esparso. No contexto de rede densa, seleciona apenas veículos de maior prioridade dentro do raio de transmissão do veículo transmissor, para continuar o processo de disseminação de dados. Nesse protocolo, os veículos de maior prioridade estão localizados em uma região conhecida como sweet spot, a mesma empregada no protocolo GEDDAI [44]. Já para o contexto de rede esparsa, emprega-se o conceito de zona de recuperação. A zona de recuperação opera da seguinte maneira: veículos que estão fora da área de interesse e que tenham a mensagem são selecionados para disseminar a mensagem para dentro da área de interesse, com o intuito de recuperar a mensagem para dentro da área de interesse. O propósito da zona de recuperação é disseminar mensagem para os veículos que estão separados geograficamente dentro da área de interesse.

3.3 Resumo Conclusivo

Inicialmente foram apresentadas duas abordagens mais aplicadas nos protocolos de disse-minação de dados para redes veiculares: single-hop broadcasting e multi-hop broadcasting e os três problemas chave que devem ser enfrentados (tempestade de broadcast, partição da rede e fragmentação temporal da rede) no processo de disseminação. Em seguida fo-ram apresentados os trabalhos relacionados mais relevantes da literatura. Esses trabalhos serviram como base na elaboração dos protocolos propostos nessa dissertação. Conclui-se que a eficiência do protocolo de disseminação de dados está diretamente relacionada à capacidade de se adaptar em diferentes tipos de contexto. Em seguida, na Tabela 3.1 é apresentado um resumo das comparações dos protocolos apresentados e suas respecti-vas vantagens, desvantagens, as técnicas empregadas e os contextos de rede em que são abordados.

(34)

T ab ela 3.1: Resumo das ab ordagens dos proto colos de disseminação de dados. Am bien tes Proto colos Con texto de Rede V an tagens Técnica Desv a n tagens Ro do viário D V-CAST Densa T rata de temp estade de br o adc ast weighte d p-p ersistenc e Não trata re des particio nadas e p ossu i baixa cob ertura. Dep en-dendo do temp o escolhido p o de ter alto atraso SRD Densa e es-parsa T rata de temp estade de br o adc ast e parti-ção temp oral da rede slotte d 1-p ersistenc e e Stor e-Carry-F orwar d Dep end endo do temp o esco lhido p o de ter alto atraso. Sup õ e que to do s os v eícul os p ossuem um GPS Urbano AID Densa T rata de temp estade de br o adc ast T emp o de esp era ale-atório Não trata re des particio nadas e p ossu i baixa cob ertura. Dep en-dendo do temp o escolhido p o de ter alto atraso DBRS Densa T rata de temp estade de br o adc ast Distância en tre v eí-culos Não trata re des particio nadas e p ossu i baixa cob ertura. GEDD AI Densa T rata de temp estade de br o adc ast Swe et Sp ot Não trata redes particionadas UV-CAST Densa e es-parsa T rata de temp estade de br o adc ast e parti-ção temp oral da rede Equação de cá lculo do temp o e Stor e-Carry-F orwar d Alta taxa de transmissão de men-sagens Am b os AMD Densa e es-parsa T rata de temp estade de br o adc ast e parti-ção temp oral da rede Distribute d Optimi-ze d Time e Stor e-Carry-F orwar d Necessita a criaçã o de tab elas au-xiliares para o cálculo do temp o de esp era. Sup õ e que to dos os v eículos p ossuem um GPS DRIVE Densa e es-parsa T rata de temp estade de br o adc ast e parti-ção temp oral da rede Swe et Sp ot e Zona de Recup eração A zona de recup eração necessita que os v eículos da fora A oI este-jam com a mensagem

(35)

Capítulo 4

Ambiente de Simulação

Este capítulo está dividido em quatro seções. Na primeira seção são apresentados os dois cenários empregados na avaliação de desempenho dos protocolos propostos nos capítulos 5, 6 e 7. Na segunda seção é apresentado o SUMO (Simulation of Urban MObility) [23], simulador de mobilidade empregado. Na terceira seção é apresentado o simulador de rede OMNet++ (Network Simulation Framework ) [41] empregado nesse trabalho. Por fim, na última seção é descrita uma breve consideração final deste capítulo.

4.1 Cenários

Com o intuito de realizar experimentos com cenários mais realísticos, neste trabalho foi empregada a ferramenta Open Street Maps (OSM) [33] para extrair segmentos de mapas do mundo real. O Open Street Maps exporta mapas no formato OSM que possibilita a edição de dados geográficos de maneira colaborativa. O mapa nesse formato pode conter descrições detalhadas como: velocidade mínima, velocidade máxima, quantidade de faixas nas vias, vias prioritárias e semáforos nas intersecções. Os dois cenários (rodoviário e urbano) empregados nesse trabalho são segmentos de mapas reais. A seguir detalhes de cada um deles.

4.1.1 Cenário Rodoviário

Para cenário rodoviário, foi extraído um segmento de 10 km da rodovia D. Pedro I (SP-065) com três faixas em cada sentido. Esta rodovia está localizada na cidade de Campinas-SP e faz interconexões com outras rodovias de grande importância como: Anhanguera (SP-330) e Presidente Dutra (SP-060). A primeira faz interconexão da capital paulista com o interior do estado alcançando até a fronteira do Estado de Minas Gerais. Enquanto que a segunda, é a principal ligação entre São Paulo e Rio de Janeiro. A rodovia D. Pedro I faz ligações com importantes cidades como: Atibaia e São José dos Campos. A Figura 4.1 ilustra o segmento de mapa utilizado para as simulações em ambiente rodoviário.

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Figura 4.1: Cenário rodovia

4.1.2 Cenário Urbano

Para cenário urbano foi extraído um segmento tipicamente urbano de 1km x 1km da região de Manhattan-NY, com várias ruas paralelas sendo cruzadas por outras ruas perpendicu-lares. O mapa contém cerca de 20 ruas, a maioria de mão dupla e outras de sentido único. Além disso o mapa contém cerca de 80 cruzamentos, englobando ciquenta semáforos. A Figura 4.2 ilustra o segmento de mapa utilizado para as simulações em ambiente urbano.

(37)

CAPÍTULO 4. AMBIENTE DE SIMULAÇÃO 38

4.2 Simulador de Mobilidade

O simulador de mobilidade reproduz os movimentos dos veículos ao longo do tempo. Neste trabalho foi escolhido o simulador SUMO devido à grande aceitação no meio acadêmico e a compatibilidade com o simulador de OMNet++ [41]. Por meio da ferramenta SUMO é possível simular os padrões de mobilidade dos veículos, por exemplo: ultrapassagem, troca de faixa, aceleração e desaceleração [23]. Dessa forma, os veículos podem mover de acordo com a densidade do tráfego de veículos, ou seja, quanto maior for a densidade do tráfego menor será a velocidade dos veículos e vice-versa.

4.2.1 Simulation of Urban Mobility

O SUMO é um simulador de mobilidade de código aberto e altamente portável [23]. Esse simulador foi desenvolvido com a finalidade de prover uma plataforma de teste, permi-tindo comparações com diferentes modelos de mobilidades [23]. O simulador empregado apresenta as seguintes características:

• Reproduz movimento dos veículos com base nas vias em que estão trafegando; • Permite a inserção de diferentes tipos de veículos (carro de passeio, ônibus e

cami-nhões de carga);

• Permite a configuração de rota de cada veículo;

• Permite a configuração da quantidade de faixas por vias; • Permite empregar topologias altamente complexas;

• Permite o uso de semáforos para auxiliar no controle de fluxo dos veículos;

• Importa vários tipos de formatos de arquivos para a definição da rede (OSM, XML-Descrition, Visum, entre outros).

Outra característica importante desse simulador é o modelo de mobilidade empregado, o Kraussβcar-following [9]. Neste modelo, o comportamento de cada veículo é calculado em relação ao estado (velocidade, aceleração e posição) dos veículos da vizinhança.

Na Figura 4.3 é ilustrado o fluxograma do funcionamento do simulador empregado. Inicialmente são necessários dois arquivos de entrada que detalham a topologia da rede: um que contém as descrições dos nós e dos cruzamentos (node.xml ) e outro que contém as informações das arestas (edge.xml ). Esses dois arquivos são as entradas para a ferramenta netconvert que converte o mapa definido pelo usuário para o formato net.xml. O próximo passo envolve a ferramenta duarouter que recebe dois arquivos de entrada net.xml (arquivo de definição da rede) e o flow.xml que contém todas as rotas dos veículos envolvidos na simulação, assim gerando o arquivo router.xml. Com os arquivos route.xml e net.xml o SUMO está apto a realizar a simulação.

Após o término da simulação é gerado um arquivo netstate.xml que contém todas as informações dos resultados da simulação. Esse arquivo contém todas as informações dos

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veículos em cada instante da simulação. O SUMO possui uma ferramenta que converte o arquivo de saída (netstate.xml ) para um formato compatível com a ferramenta OMNet++, conhecido como tracerExporter. Esta ferramenta recebe o arquivo de saída do SUMO e produz outros arquivos necessários para realizar a simulação de rede no OMNet++.

Figura 4.3: Fluxograma do funcionamento do SUMO [32]

4.2.2 Mobilidade

Com intuito de tornar os cenários de avaliação mais realísticos foram representados três tipos de veículos: veículos de passeio, ônibus e caminhões pesados. O primeiro (Tipo 1) atinge uma velocidade máxima de 120 km/h, o segundo (Tipo 2) atinge 90 km/h e o terceiro (Tipo 3) 80 km/h. O SUMO permite que sejam definidos os tipos de veículos da rede, para isso devem ser definidos valores das seguintes propriedades: velocidade máxima, aceleração, desaceleração e comprimento do veículo. Os valores empregados neste trabalho estão listados na Tabela 4.1.

As taxas de desaceleração foram tomadas com base nas pesquisas de El-Shawarby et al.[16] e Wortman & Matias [49]. Já as taxas de aceleração foram tomadas com base na especificação do manual de cada tipo de veículo.

4.3 Simulador de Rede

O simulador de rede empregado nesse trabalho foi o OMNet++ (versão 4.3). OMNet++ é um simulador de evento discreto baseado em C++ para modelar redes de

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comuni-CAPÍTULO 4. AMBIENTE DE SIMULAÇÃO 40

Tabela 4.1: Parâmetros dos três tipos de veículos Tipo Velocidade

Máxima

Aceleração Desaceleração Tamanho do Veículo Tipo 1 120 km/h 2.77 m/s2 3.8 m/s2 4.5 m

Tipo 2 90 km/h 1.84 m/s2 3.0 m/s2 13 m Tipo 3 80 km/h 1.38 m/s2 _{2.7 m/s}2 _{18 m}

cação, multiprocessadores e outros sistemas paralelos e distribuídos. Esse simulador é open-source e não foi projetado para ser um simulador específico, dessa forma, tem sido empregado em diferentes domínios, desde simulação de redes com filas a redes sem fio [41].

O projeto OMNet++ emprega como ambiente de desenvolvimento o IDE (Integra-ted Development Environment ) do Eclipse1, possibilitando a edição textual e gráfica dos módulos empregados no projeto.

O OMNet++ emprega um conjunto de módulos hierarquicamente organizados. Os módulos são diferenciados entre simples e compostos. O módulo simples descreve o nível mais baixo da hierarquia e sempre está associado aos arquivos C++, no qual é descrito o seu comportamento. Já os módulos compostos são módulos simples agregados, e não podem ser associados aos arquivos C++. Os módulos compostos comunicam-se por meio de trocas de mensagens, que podem ser trocadas entre os módulos simples, ou por meio de conexões, veja a Figura 4.4.

Figura 4.4: Hierarquia do simulador OMNet++ (adaptado-[41])

4.4 Resumo Conclusivo

A ferramenta Open Street Maps permite extrair segmentos de mapas com as caracterís-ticas mais próximas do mundo real, dessa forma os resultados das simulações também aproximam-se da realidade. Neste trabalho foram empregados dois cenários de teste em redes veiculares: rodoviário e urbano. Não foi empregado o cenário rural, devido que nesse

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tipo de cenário há necessidade de RSUs para auxiliar no processo de disseminação de da-dos [32]. Toda-dos os protocolos propostos empregam apenas a comunicação do tipo V2V para realizar a disseminação de dados. Para a mobilidade dos veículos foi empregada a ferramenta SUMO, uma vez que essa ferramenta é capaz de simular os padrões de mobili-dade dos veículos. Além de implementar o modelo de mobilimobili-dade de Kraussβcar-following [9], pois este modelo é o mais próximo da realidade. Outra vantagem, a ferramenta SUMO é totalmente compatível com o simulador de rede OMNet++.