Relatório de Acompanhamento Discente
Seminário de Acompanhamento de Pesquisa para Dissertação
Outubro / 2013
Título da Dissertação: Um esquema de agregação adaptativo livre de estrutura para sistemas de informações de tráfego em redes ad hoc veiculares
Nome do Mestrando: Bruno Fernandes Guedes Início do mestrado (semestre/ano): 1 / 2012 Orientador(es):Carlos Alberto Vieira Campos
1. Problema
Rede ad hoc veicular (ou Vehicular Ad hoc network – VANET), é um tipo especial de rede ad hoc móvel [14]. É uma rede sem fios, formada por veículos, que permite a troca de informações entre eles. Dentre as aplicações vislumbradas para VANETs, podemos citar as de segurança no trânsito, melhoria na direção e de entretenimento.
As VANETs possuem características especiais que as tornam únicas. Nelas, os nós móveis possuem sua mobilidade limitada pelas vias nas quais trafegam. Possui topologia dinâmica, ou seja, muda constantemente, e não possuem limitação de energia, devido utilizarem baterias de grande capacidade.
Um problema comum na comunicação em uma VANET é a limitada largura de banda disponível. Tomando como exemplo a padronização para comunicações entre veículos chamada de comunicação de curto alcance dedicada (ou Dedicated Short Range Communication - DSRC), cujo o raio de comunicação pode alcançar 1.000 metros, enquanto a taxa de transferência de dados varia de 6 a 27 Mbps apenas. Em um cenário de transito intenso, como o horário de rush,
é muito provável que encontremos mais de 100 veículos em um raio de 1.000 metros compartilhando o mesmo canal, nesse caso, a largura de banda disponível será excedida rapidamente [15]. Se levarmos em consideração aplicações que necessitem disseminar dados para regiões geograficamente distantes, o problema se agrava.
Segundo [8], em grandes sistemas distribuídos ou redes, escalabilidade (que pode ser definida como a habilidade de lidar com a adição de nós ou objetos, sem sofrer uma perda perceptível de desempenho), é uma característica muito importante. Um dos principais desafios da implantação das VANETs é justamente lidar com essa restrição, imposta pela limitada largura de banda disponível.
Agregação de dados1 é uma possível solução para esse problema. Muitas aplicações não necessitam de informações atômicas, como a exata posição ou velocidade de cada veículo em um determinado momento. Em muitos casos uma visão resumida da situação já é suficiente. Ao analisarmos como exemplo um sistema de informações de tráfego, o qual é usado para informar aos motoristas sobre as condições do transito a sua frente, uma maneira intuitiva de se implementar tal sistema seria disseminar a própria velocidade de um veículo, juntamente com todas as velocidades encaminhadas pelos veículos vizinhos. Podemos perceber que esse sistema não seria escalável. Por outro lado, saber a média da velocidade do fluxo à frente e onde possivelmente um congestionamento esteja ocorrendo, seria suficiente para o motorista reagir corretamente. Dessa forma, somente parte da informação precisa ser disseminada (média das velocidades), resultando na redução da sobrecarga de comunicação.
O nível de agregação dos dados depende da aplicação, o que influencia na quantidade de largura de banda economizada. A correlação temporal e espacial dos dados são fatores chaves para um esquema de agregação [10].
Nas redes de sensores sem fio (RSSF), agregação de dados é uma área consolidada de pesquisa. Nesse tipo de rede, os esquemas de agregação de dados existentes, os quais definem onde e como as informações serão agregadas, levam em consideração as características e restrições impostas por essas redes. Por apresentarem características e restrições diferentes, as VANETs não permitem o uso de tais esquemas sem algum tipo de adaptação. Dentre os esquemas para RSSF, as principais abordagens são: baseadas em árvore, baseada em cluster e livres de estrutura [1] e [3].
Segundo [13], um levantamento sobre as soluções de agregação de dados em VANETs, revela que existem 2 abordagens principais. Em ambas as abordagens as informações são coletadas localmente (através dos sensores do próprio veículo), ou recebidas de outros veículos. Os dados são então analisados e verifica-se a existência de alguma correlação entre eles, caso positivo, os dados são agregados. Os dados, agregados ou não, são então disseminados na rede. A única diferença entre as abordagens recai sobre quando os dados serão armazenados localmente, antes ou após a agregação.
Baseando-se nessa observação, [2], propôs um modelo de arquitetura para modelar esquemas de agregação de dados em VANETs. O autor afirma que cada esquema de agregação pode ser modelado por essa proposta, porém a comunicação entre os componentes é uma particularidade de cada solução. O modelo proposto possui 4 componentes funcionais, um para cada passo citado anteriormente: 1 – Componente de decisão (responsável por decidir se duas informações são similares o suficiente para serem agregadas); 2 – Componente de fusão (responsável por realizar a fusão das informações); 3 – Componente de armazenamento (chamado de world model ou base de conhecimento, responsável por armazenar toda informação disponível para aquele veículo); 4 – Componente de disseminação (responsável por retransmitir a informação, agregada ou não, para os veículos vizinhos, resultando em uma indireta disseminação multi-salto).
Ao relacionar os trabalhos que propõe algum esquema de agregação para atacar o problema descrito, podemos citar [15], que propõe um esquema onde a estrada é divida em segmentos de tamanho fixo, além de introduzir políticas de atrasos controlados na disseminação da informação com o intuito de que duas informações tenham mais chances de se encontrar para, se possível, serem agregadas. Essa abordagem pode causar problemas de representação da realidade, uma vez que, com o uso de segmentos fixos, pequenos engarrafamentos, localizados nas fronteiras dos segmentos, podem não ser corretamente representados. Outro problema com esse esquema, diz respeito ao desperdício de largura de banda no caso de fenômenos de maior dimensão, que abrangem vários segmentos, os quais poderiam ser ainda mais agregados. Para melhor se adaptar as situações reais das estradas, novos esquemas que utilizam agregação livre de estrutura, os quais são mais indicados para redes dinâmicas, foram propostos. Os autores de [1] e [3] propõem um esquema totalmente livre de estrutura, baseado no uso da lógica fuzzy. Embora consigam flexibilidade na área agregada, o esquema não trata do problema de relatórios duplicados. Por exemplo, se a velocidade de um veículo for contada várias vezes em um mesmo agregado a média resultante não representará a realidade. Outro ponto negativo é que eles não são adaptativos ao contexto, ou seja, não levam em consideração a densidade da rede no seu funcionamento.
mensagens duplicadas. A única agregação realizada é na assinatura digital das mensagens com conteúdo semelhante.
O objetivo da pesquisa é propor um esquema de agregação que permita lidar com as restrições impostas pelo canal sem fio, ao mesmo tempo que reflita com maior precisão a realidade ao se adaptar aos ambientes dinâmicos impostos pelas VANETs, uma vez que os esquemas estudados não conseguem lidar de forma completa com tais características.
2. Hipótese/Questão e Proposta de Solução
Partindo do princípio que para aplicações como os sistemas de informações de tráfego o uso de algum esquema de agregação de dados é um pré-requisito e que as características das VANETs fazem com que o uso de esquemas de agregação que utilizam algum tipo de estrutura no seu funcionamento, não consigam refletir a realidade, podemos supor que:
SE utilizarmos um esquema de agregação de dados, livre de estrutura e adaptável as características das VANETs, em um sistema de informações de tráfego, ENTÃO a restrição de escalabilidade, causada pela limitada largura de banda disponível, seria contornada, assim como um reflexo mais próximo da real situação do tráfego seria alcançado.
Solução: Utilizar o conhecimento da vizinhança dos veículos, obtido através das informações de balizamento (beaconing), na geração das mensagens, baseando o esquema de agregação no correlacionamento dos dados através de uma modificação do componente de decisão proposto em [5] e [1]. E disseminar as mensagens através do mecanismo proposto em [7], que utiliza a densidade da rede como parâmetro para adaptar a disseminação.
O detalhamento do esquema, para cada um dos componentes, é descrito a seguir:
a) Componente de Decisão - A cada 1 segundo, a aplicação gera uma mensagem, que leva em consideração apenas os veículos a frente do veículo atual, contendo as seguintes informações:
A = (µ, Dc, C, Ѳ).
Onde: A representa o agregado; Dc representa a área de cobertura do agregado; C é um contador que representa a quantidade de veículos que contribuíram para o agregado; µ representa a média das velocidades e Ѳ o desvio padrão dessa média.
O tempo para geração das mensagens tomou como base que em cenários de alta mobilidade (com velocidades em torno de 100 Km/h), um veículo se move cerca de 27 metros em 1 segundo, levando a mudanças mínimas na situação do tráfego.
A mensagem após ser transmitida pelo componente de disseminação descrito no item c, pode ser ainda mais agregada, dependendo da sua correlação, através da análise dos seguintes parâmetros: - Se um agregado A1 se sobrepuser, pelo menos em parte, ao agregado A2; - E, se a diferença da média das velocidades de A1 e A2 for menor ou igual ao menor desvio padrão de A1 e A2; - Então gera-se um novo agregado através do componente de fusão descrito no item b, e o dissemina; - Senão, A1 e A2 são somente disseminados.
A lógica do componente de decisão poderia ser representada por:
Se ) E (( , então
b) Componente de Fusão - Caso a decisão de agregar seja positiva, os dois agregados precisam ser combinados em um novo agregado. Dado dois agregados A1 = (µ1, Dc1, C1, Ѳ1) onde Dc1 = (x1,y1), e A2 = (µ2, Dc2, C2, Ѳ2) onde Dc2 =( x2,y2). Um novo agregado Anew= (µnew, Dcnew, Cnew, Ѳnew), seria gerado da seguinte forma:
µnew =
Dcnew = (min (x1,x2), max (y1,y2)) Cnew = C1 + C2
Ѳnew =
c) Componente de Disseminação - Toda vez que um veículo recebe uma mensagem, um timer é iniciado. Se o timer expirar e a mensagem associada com o timer não tiver sido retransmitida por nenhum outro veículo, ele próprio retransmite a mensagem. Um timer T para um veículo x (Tx) seria calculado da seguinte maneira:
,
Onde R representa o raio de transmissão; Dsx representa a distância entre o veículo x e o veículo s, remetente da mensagem; e = 2, a fim de se gerar um valor uniforme entre [0 e Tmax], onde Tmax =200ms. [7].
A adaptação a densidade da rede é realizada antes do timer ser iniciado, quando um veículo recebe uma mensagem, ele primeiro seleciona um número aleatório entre [0,1], se o número selecionado for menor que 1/densidade, o timer é iniciado. Caso contrário o veículo não retransmite a mensagem. À medida que a densidade aumenta o número de nós que iniciam seu timer diminui.
Abaixo, uma visão geral do esquema proposto, adaptado de [4]
Justificativa: Em VANETs, aplicações como os sistemas de informações de tráfego necessitam lidar com questões de uso consciente da largura de banda disponível, para serem escaláveis. Além disso, é necessário refletir, da forma mais próxima possível, a realidade, para que possam realmente ser úteis.
Mensagens externas
World Model Componente
de Decisão
Componente de Fusão
Falseamento: Caso a hipótese não se confirme e o esquema não consiga alcançar os objetivos propostos, será analisado se houve melhora em algum ponto específico, como o tempo necessário para que um determinado veículo tenha conhecimento da situação do tráfego, em uma região distante, a sua frente.
3. Metodologia (“Engenharia Científica”)
A abordagem utilizada na pesquisa será empírica, quantitativa e explanatória enquanto que o método a ser seguido será o experimento. Como experimentação será utilizada a simulação a fim de se obter os resultados de desempenho do esquema de agregação a ser proposto. A simulação foi escolhida devido aos experimentos práticos em VANETs demandarem alto custo em equipamentos, elevado número de participantes envolvidos, além de outras variáveis.
A avaliação será feita através da comparação, utilizando-se simulações, entre o esquema de agregação proposto e outros esquemas livre de estrutura, em cenários com diferentes densidades de nós. A fim de se obter resultados mais confiáveis estatisticamente, serão realizadas 30 rodadas de simulação para cada cenário, pois segundo a teoria estatística, 30 amostras são suficientes para efetuar os cálculos, admitindo-se uma distribuição normal, mesmo sem o conhecimento da distribuição presente nos dados.
No tocante aos procedimentos metodológicos, os dados observados serão: Quantidade de mensagens trafegando na rede; Números de mensagens perdidas; E a situação do tráfego representado pelo esquema, em determinado instante do tempo. Quanto a produção dos dados, será utilizado um simulador de redes, como o NS-2 ou NCTUns, como fonte geradora dos dados a serem analisados, esses simuladores tem como resultado de saída um trace (log) que contém todas as informações referentes a simulação, o qual será utilizado para extrações dos dados a serem observados. O método de análise será o estatístico e os resultados esperados para confirmação da hipótese deverá ser uma baixa quantidade de mensagens perdidas, além de uma representação próxima da realidade, da situação do tráfego gerado pelo esquema.
4. Contribuições da Pesquisa
As contribuições esperadas dessa pesquisa são:
•
Apontar as características relevantes em esquemas de agregação de dados para um sistema de informações de tráfego, que possam ser estendidas ou modificadas com o intuito de adaptar o seu funcionamento as demandas impostas por esse tipo de sistema quando usada em VANETs.•
Um novo esquema de agregação de dados para VANETs, livre de estrutura e adaptável a densidade da rede, para um sistema de informações de tráfego, que consiga prover escalabilidade ao lidar com as restrições impostas pelo canal sem fio, ao mesmo tempo que consiga representar as características dinâmicas do tráfego em diversos cenários.5. Atividades realizadas e resultados obtidos
quantidade de largura de banda economizada, a adaptação aos diferentes cenários e a representação que os dados agregados forneciam em relação aos dados originais não agregados.
Com o resultado dessa análise, um esquema de agregação de dados para VANETs livre de estrutura, baseado em uma das bibliografias estudadas, foi proposto. A fim de se iniciar o processo de implementação do esquema, a familiarização com a ferramenta (simulador de redes ad hoc sem fio - Jist/SWANS) utilizada pelo autor cuja proposta se baseia, foi buscada. Entretanto, a falta de documentação disponível, principalmente para extensão de redes veiculares usada pelo autor, dificultaram muito a tarefa. Atualmente, o simulador NCTUns 6.0 está sendo estudado, uma vez que ele possui uma completa implementação do padrão IEEE 1609 e 802.11p [11], criados especificamente para redes veiculares. Além disso, ele é de código aberto, permite a adição de novos módulos e possui uma documentação bem completa, tanto para uso do simulador quanto para codificação de novos módulos.
6. Cronograma das atividades planejadas de Pesquisa
7. Plano detalhado de publicação com histórico e justificativas
Conferência/Journal
Qua lis
Data final de submissão
Conteúdo do trabalho Situação
SBRC 2014 B3 02/12/2013 Um esquema de agregação de dados para um sistema de informações de tráfegos em
VANETs
Não-submetida VTC 2014 – Fall B2
Não definido
Um esquema de agregação de dados para um sistema de informações de tráfegos em
VANETs
Não-submetida Revista Brasileira de
Redes de Computadores e Sistemas Distribuídos
B5 Não
definido
Um esquema de agregação de dados para um sistema de informações de tráfegos em
VANETs
8 - Referências bibliográficas
[1] DIETZEL S., BAKO B., SCHOCH E., KARGL F., A fuzzy logic based approach for structure-free aggregation in vehicular ad-hoc networks, In Proceedings of the sixth ACM international workshop on Vehicular Internetworking,VANET, p.79 88. NewYork, NY, USA, 2009.
[2] DIETZEL S., KARGL F., HEIJENK G., Modeling In-Network Aggregation in VANETs, In IEEE Communications Magazine, 49(11). 2011.
[3] DIETZEL S., SCHOCH E., BAKO B., KARGL F., A Structure-free Aggregation Framework for Vehicular Ad Hoc Networks. In Proceedings of the 6th International Workshop on Intelligent Transportation, p.61 66. Hamburg, Germany, 2009.
[4] DIETZEL, S., KARGLl, F., HEIJENK, G., SCHAUB, F., On the potential of generic modeling for VANET data aggregation protocols, In. IEEE Vehicular Networking Conference (VNC), pp. 78 – 85, 2010.
[5] HEIJDEN, R., DIETZEL, S., KARGL, F., SeDyA : Secure Dynamic Aggregation in VANETs, In conference on Security and privacy in wireless and mobile networks (WiSec ), 2013.
[6] IBRAHIM, K., WEIGLE, M., Cascade: Cluster-based accurate syntactic compression of aggregated data in vanets. In IEEE Globecom Workshops, pages 1–10, November 2008.
[7] IBRAHIM, K., WEIGLE M., p-IVG: Probabilistic inter-vehicle geocast for dense vehicular networks. In Old Dominion University, Tech. Rep., Sep. 2008
[8] KOSCH, T., ADLER, C.J., EICHLER, S., SCHROTH, C., STRASSBERGER, M., The scalability problem of vehicular ad hoc networks and how to solve it. In Wireless Communications, IEEE (Volume:13 , Issue: 5 ), 2006.
[9] NAIR, R., SOH, B., CHILAMKURTI, N., PARK, J., Structure-free message aggregation and routing in traffic information system (SMART). In Journal of Network and Computer Applications, 2013.
[10] SHOAIB, M., SONG, W., KIM, K., Cluster Based Data Aggregation in Vehicular Adhoc Network. In Proceedings of the 4th international conference on Communication Technologies for Vehicles, Pages 91-102, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, 2012.
[11] SOUZA, A., BARROS, A., VIEIRA, A., ROBERTO, F., JÚNIOR, J., An Adaptive Mechanism for Access Control in VANETs. In ICN 2011, The Tenth International Conference on Networks, St. Maarten, The Netherlands Antilles, January 2011.
[12] STEINBERG, A. N., BOWMAN, C. L., and WHITE, F. E. Revisions to the JDL data fusion model. Proceedings of the International Society for Optical Engineering (SPIE 1999), Orlando, FL, USA, 1999.
[13] TAL, I., MUNTEAN, G., Using Fuzzy Logic for Data Aggregation in Vehicular Networks. In IEEE/ACM 16th International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications, 2012.
[14] TOOR, Y; MÜHLETHALER, P.; LAOUITI, A.; FORTELLE, A., Vehicle Ad Hoc Networks: Applications and Related Technical Issues. In IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 10 (3), pp. 74-88, 2008.
