Comparativo entre Algoritmos de Roteamento Utilizados em
Redes Veiculares
Renê R. Oliveira, Michelle S. Wangham
CTTMAR – Universidade do Vale do Itajaí (UNIVALI) - São José, SC – Brasil {r.oliveira,wangham}@univali.br
Abstract. This paper presents the main routing algorithms used in vehicular
networks, describing its characteristics, function and usage scenarios. Subsequently is presented a comparison among the routing algorithms described taking as benchmarks the usage scenarios, type of packet forwarding, the use of hierarchy between the nodes on the network and reliance on geographic information to be possible sending information.
Keywords: Vehicular Networks, Routing Algorithms.
Resumo. Este artigo apresenta os principais algoritmos de roteamento
utilizados em redes veiculares, descrevendo suas características, funcionamento e cenários de uso. Posteriormente, é apresentado um comparativo entre os algoritmos de roteamento descritos tendo como parâmetros de comparação os cenários de uso, tipo de transmissão de pacotes, a utilização de hierarquia entre os nós existentes na rede e a dependência de informações geográficas para que seja possível o envio de informação.
Palavras-chave: Redes Veiculares, Algoritmos de Roteamento.
1. Introdução
Segundo Jameel (1998), muitas aplicações vêm utilizando avanços tecnológicos que incorporam redes ad hoc veiculares, possibilitando aos condutores terem ao seu dispor equipamentos capazes de sinalizar sobre situações adversas e/ou comuns, informando ao condutor com antecedência quanto a acidentes, engarrafamentos e outras situações.
Estas aplicações utilizam um Sistema Inteligente de Transporte (Intelligent
Transportation System - ITS). Exemplos dessas aplicações incluem a monitoração
cooperativa do tráfego ou prevenção de colisões que utilizam redes veiculares [Li e Wang 2007]. As redes veiculares são formadas por sistemas de comunicação entre veículos que fazem parte de um ambiente de trânsito. As redes veiculares têm seus nós compostos por veículos e por equipamentos fixos que estão presentes ao longo das vias. Todos estes elementos possuem interface de comunicação sem-fio. Todos os nós presentes nestas redes apresentam alta mobilidade e trajetórias que acompanham as extensões das vias de trânsito [Jameel 1998]. Redes móveis incorporadas a um ambiente formado por veículos e todos os componentes que formam vias de trânsito, possuem muitos desafios para que possam ser utilizadas em larga escala [Bechler 2003]. Entre estes, para redes veiculares destacam-se: a alta mobilidade dos nós, o dinamismo dos cenários, a escalabilidade com relação ao número de nós e o tempo reduzido em que dois nós permanecem conectados [Zhao e Cao 2008]. Protocolos utilizados em redes ad
hoc móveis (Mobile ad hoc Network - MANETs) não são adequados para suprir estes
desafios, mesmo assim MANETs e as redes ad hoc veiculares possuem características comuns como o dinamismo da topologia da rede (Zhao e Cao 2008).
Um dos desafios mais complexos encontrados nas redes veiculares é o cálculo de rotas, por trabalharem com a alta mobilidade dos nós da rede e a instabilidade dos enlaces sem-fio, motivando o levantamento de algoritmos a serem utilizados em redes veiculares para facilitar pesquisas e o desenvolvimento de aplicações. Existem quatro principais classificações de roteamento em redes ad hoc veiculares. São elas [Alves et
al. 2009]: baseados em posicionamento, baseados em topologia, baseados em oportunismo e baseados em disseminação de informação.
Cada uma destas classificações tem suas peculiaridades, vantagens e desvantagens. Nas próximas sessões serão apresentadas cada uma das classificações e em seguida apresentada uma comparação entre estes algoritmos.
O texto está organizado da seguinte forma. A Seção 2 apresenta algoritmos de roteamento baseados em posicionamento e suas características. Em seguida, a Seção 3 apresenta algoritmos de roteamento baseados em topologia, seus objetivos e funcionamentos. A Seção 4 descreve os protocolos de roteamento baseados em oportunismo. A Seção 5 apresenta protocolos de roteamento baseados em disseminação de informação. A Seção 6 apresenta um comparativo entre os algoritmos levantados neste artigo. Por fim, a Seção 7 apresenta as conclusões.
2. Roteamento Baseado em Posicionamento
Nos protocolos baseados em posicionamento o objetivo é proporcionar escalabilidade em ambientes de alta mobilidade. Segundo Hein et al. [2001 apud Alves et al. 2009], grande parcela dos algoritmos de roteamento é baseado em posicionamento. Em todos os nós presentes em redes que utilizam protocolos de roteamento baseados em posicionamento há algum tipo de aparato para definir sua localização como um GPS (Global Positioning System). Estes protocolos baseados em posicionamento funcionam da seguinte maneira: um nó fonte envia os pacotes de dados em direção à localização do destinatário por múltiplos saltos. Para tanto, o nó precisa conhecer a posição de seus vizinhos, normalmente por sondas enviadas periodicamente, e a posição do destinatário, em geral utilizando um serviço de localização (Kasemann et al. 2002 apud Alves et al. 2009).
Um dos protocolos baseados em posicionamento na área de redes veiculares é o Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR). Neste protocolo, cada veículo envia pacotes contendo sua posição, mantendo assim, uma lista de vizinhos. Este utiliza um algoritmo guloso para realizar o encaminhamento no qual cada nó repassa os pacotes de dados para o vizinho mais próximo do destinatário [Karp e Kung 2000]. Segundo Karp e Kung (2000), todos os pacotes enviados utilizando o GPSR funcionam em dois modos. O primeiro modo é o modo guloso que é um modo mais simples de roteamento. Este funciona como se fosse um vetor geográfico de distância. Ao receber um pacote, o nó reenvia esse pacote para o vizinho mais próximo do destino. No entanto, isso pode levar o pacote a locais sem saída, ou seja, nós mais próximos do destino, mas que não tenham vizinhos [Karp e Kung 2000]. O outro modo utilizado é o modo perímetro que tem como objetivo contornar regiões onde não existem nós mais próximos do destino que o nó corrente. Nestas situações, o pacote deve se afastar do destino até encontrar
uma nova rota gulosa [Karp e Kung 2000]. Inicialmente, todos os pacotes são enviados no modo guloso. A Figura 1 apresenta o funcionamento do protocolo GPSR. Nesta ilustração, o nó A deseja enviar dados para o nó L. O nó A repassa os pacotes para o nó B, que é o seu vizinho mais próximo de L. O mesmo ocorre com os nós B, D e F. Ao receber o pacote, o nó F verifica que nenhum dos seus vizinhos, no caso os nós que estão dentro do círculo cinza, está mais próximo de L que ele mesmo. Assim, o nó F ativa o modo perímetro e envia os dados para G. Da mesma forma, G utiliza-se do modo perímetro para enviar dados para H. O nó H, por sua vez, encontra um nó mais próximo de L que o nó F, e assim o pacote volta a ser repassado pela estratégia gulosa até o nó L. O uso de informações geográficas permite ao GPSR a construção de rotas a baixo custo, pois o nó armazena estado referente somente a localização dos seus vizinhos (Macedo et
al. 2006).
Figura 1. Funcionamento do Protocolo GPSR.
Outro protocolo baseado em posicionamento é o A-STAR (Anchor-based Strett and Traffic Aware Routing) que é baseado no GPSR. Este protocolo utiliza mapas das estradas para calcular o conjunto de rotas que o pacote deverá passar para atingir o seu destino. No entanto, difere em dois aspectos importantes: o A-STAR incorpora um sistema de sensibilização de tráfego do inglês traffic awareness, recorrendo a mapas das estradas ordenados por utilização, de modo a poder definir as suas rotas pelas estradas com maior conectividade, garantindo assim uma maior probabilidade no sucesso de entrega. Este protocolo mostra-se mais eficiente na entrega de mensagens do que o GPSR [Seet et al. 2004 apud Luis 2009]. O protocolo baseado em posicionamento GeOpps (Geographical Opportunistic routing for vehicular networks) assume que todos os veículos estão equipados com GPS, exploram as informações geográficas por estes obtidas, de modo a encaminhar um pacote para um nó que está melhor posicionado para poder entregar ao seu destino. Resultados mostram que este protocolo tem um melhor desempenho que o GPSR [Karp e Kung 2000].
3. Roteamento Baseado em Topologia
Os protocolos baseados em topologia têm como objetivo encontrar a melhor trajetória entre dois pontos em uma rede. Em geral, a melhor trajetória é a que gera menor custo entre a origem e o destino. A utilização de protocolos de roteamento baseados em topologia vem mostrando-se uma solução simples para redes veiculares [Karp e Kung 2000]. Um protocolo de roteamento baseado em topologia é o PBR (Prediction-Based
Routing). Este protocolo tem como objetivo dar acesso à Internet aos nós que fazem parte de uma rede móvel. Nesta rede móvel, os veículos que a integram possuem uma interface conectada a uma rede como o padrão 802.16. Os veículos nesta rede atuam como gateways móveis, sendo acessados em múltiplos saltos pelos outros nós que constituem a rede. A construção da rota se dá através de pacotes de requisição de rota, nos quais cada nó intermediário insere informações de posição, de velocidade e de sentido. Para reduzir o número de pacotes em difusão, os nós intermediários só encaminham um pacote de requisição se este for mais novo que o último recebido. Se o pacote recebido é igual a outro já recebido, a mensagem só é encaminhada se todos os nós presentes na rota se deslocarem no mesmo sentido. Com isso, rotas com mais nós no mesmo sentido têm preferência [Namboodiri e Gao 2007 apud Alves et al. 2009].
4. Roteamento Baseado em Oportunismo
Os protocolos baseados em oportunismo são utilizados em redes tolerantes a atrasos e a desconexões, funcionando da seguinte maneira: as conexões oportunistas ocorrem diante de encontros não esperados entre os nós [Oliveira et al. 2007].
Ainda segundo Oliveira et al. (2007), este tipo de conexão tem como objetivo obter vantagens de conexões realizadas ao acaso e anteriormente, para realizar a conexão com qualquer nó que esteja fora do alcance do nó origem. O conceito de conexão oportunista permite conexões entre nós em situações onde em nenhum momento existe um caminho inteiramente conectado entre eles. Os nós que estabelecem conexões oportunistas, na maioria das vezes, não conhecem informações sobre o estado, localização ou dos padrões de mobilidade dos outros nós. Cada nó é independente com relação aos seus movimentos [Oliveira et al. 2007]. Uma proposta utilizada em redes tolerantes a atrasos é o Vehicle-Assisted Data Delivery (VADD) que utiliza a mobilidade previsível das redes veiculares. Na Figura 2, pode ser observado que o veículo A tem um pacote para um determinado destino. Assume-se que a direção ideal para este pacote é o Norte. Há dois contatos disponíveis para o transporte do pacote: o nó B, movendo-se no sentido sul e nó C, movendo-se no sentido norte. A tem duas opções para selecionar com relação ao próximo salto do pacote: B ou C. Ambas as escolhas visam o encaminhamento do pacote para o Norte: selecionando B, porque B é geograficamente mais próxima do Norte e proporciona uma melhor possibilidade de explorar a comunicação sem fio (por exemplo, B pode imediatamente passar o pacote para D, mas C não pode;), entretanto selecionando C, porque C está se movendo na direção de encaminhamento do pacote. Estas duas escolhas levam a dois protocolos de encaminhamento diferentes: Location First Probe (L-VADD) e Direction First Probe (D-VADD). Utilizando o protocolo L-VADD dada à direção é preferível escolher um contato mais próximo veículo A encaminha o pacote para B. Parece ser melhor do que escolher C como o próximo salto, uma vez que B pode enviar imediatamente o pacote para D. Mesmo se D não existir, selecionar B parece tão bom quanto selecionar C. Entretanto, essa abordagem pode provocar ciclos no roteamento [Zhao e Cao 2008].
Figura 2. Funcionamento do Protocolo VADD.
5. Roteamento Baseado em Disseminação de Informação
Os protocolos baseados em disseminação de informação são utilizados em aplicações para redes veiculares. Algumas aplicações como de assistência ao condutor exigem que informações sobre as condições das rodovias sejam distribuídas em um determinado local [Korkmaz et al. 2004].
O protocolo baseado em disseminação de informações chamado Urban Multi-hop Broadcast Protocol (UMB) tem como objetivo evitar o terminal oculto utilizando algo semelhante ao Request-To-Send (RTS) e o Clear-To-Send (CTS), diminuir o excesso de carga de controle e aumentar a confiabilidade na difusão em múltiplos saltos [Korkmaz et al. 2004]. Este protocolo trabalha em dois modos, difusão direcional e no modo interseção. O algoritmo no modo de difusão direcional seleciona o nó mais distante da origem para continuar a difusão. No modo interseção assume que repetidores são instalados nos cruzamentos para encaminhar a difusão [Korkmaz et al. 2004].
O protocolo BROADCOMM (Broadcast Communications) é um protocolo baseado em disseminação de informação e recorre a informações geográficas. É especialmente utilizado em auto-estradas. Este protocolo divide a auto-estrada em células. No entanto, dentro das células existem nós que se encontram geometricamente no centro das células. A função destes nós é a de difundir as informações de emergência na sua célula e difundí-las para os restantes nós. Este protocolo é bastante simples, mas só funciona em auto-estradas [Durresi et al. 2004 apud Luis 2009].
Em 2008, foram implementados dois algoritmos baseados em disseminação de informação: o Distributed Robust Geocast (DRG) e o Robust VEhicular Routing (ROVER). O DRG é um protocolo adaptável à frequentes mudanças da topologia, que fornece um sistema de encaminhamento rápido que minimiza a carga na rede focalizada para grandes cenários. Por outro lado, o protocolo ROVER oferece uma difusão multicast baseada num processo de descoberta de rotas reativo [Kihl, Sichitiu e Joshi 2008].
Outro algoritmo baseado em disseminação de informação é o Epidemic, que é proposto em Vahdat e Becker (2000), este algoritmo tem como principal objetivo disseminar mensagens em redes tolerantes a atrasos (DTNs) maximizando a taxa de entrega, minimizando a latência e a quantidade de recursos consumidos na entrega das mensagens.
O Epidemic juntamente com outros algoritmos epidêmicos funciona da seguinte forma: quando um processo precisa disseminar informação no sistema, ele a envia para um conjunto de nós escolhidos aleatoriamente. Uma vez recebida a informação, os nós receptores executam o mesmo procedimento e assim, a repassa para outro conjunto de nós selecionados aleatoriamente. O funcionamento é semelhante a uma doença epidêmica, enquanto houver espaço em buffer mensagens são repassadas a cada encontro de nós, assim como a infecção de um indivíduo por outro em uma epidemia.
Cada nó da rede possui uma lista com as mensagens que o mesmo armazena. Essa lista é trocada entre vizinhos que estão no mesmo alcance de transmissão e serve para que um nó determine quais as mensagens existentes no buffer do vizinho ele ainda não possui, para então solicitá-las. Esse processo de troca de mensagens se repete sempre que um nó entra em contato com um novo vizinho [Vahdat e Becker 2000].
O roteamento epidêmico tem a vantagem de oferecer uma alta taxa de entrega e baixo atraso, isso ocorre porque várias cópias de uma mesma mensagem são encaminhas pela rede e, assim, a chance da mensagem ser entregue é maior, porém está limitado ao tamanho do buffer presente nos nós.
6. Comparativo entre Algoritmos de Roteamento Utilizados em Redes
Veiculares
De acordo com o levantamento dos algoritmos de roteamento utilizados em redes veiculares feito nas seções anteriores, foram levantados os seguintes aspectos para comparação entre estes algoritmos de roteamento: tipo de encaminhamento, informações sobre posição, estrutura hierárquica e cenário de mobilidade. Na Tabela 1 é apresentado um resumo comparativo dos algoritmos de roteamento utilizados em redes veiculares descritos anteriormente.
De acordo com o comparativo feito com os algoritmos de roteamento utilizados em redes veiculares estudados neste trabalho, quatro algoritmos têm como tipo de encaminhamento o unicast. São estes, GPSR, A-STAR, GeOpps e VADD. Apenas dois utilizam o tipo de encaminhamento geocast; ROVER e DRG e restando apenas dois que utilizam broadcast, UMB e BROADCOMM.
Já no aspecto da utilização de um serviço de localização, apenas os algoritmos Epidemic e GPSR não utilizam este serviço, já o restante utilizam informações geográficas obtidas, por exemplo, pela utilização de um GPS. No aspecto da estrutura hierárquica, apenas BROADCOMM e ROVER utilizam este tipo de estrutura, os demais utilizam uma estrutura plana.
No aspecto do cenário de mobilidade utilizado, os algoritmos se dividem em três grupos, os que são utilizados em auto-estradas, os utilizados no meio urbano e os que são utilizados nos dos grupos anteriores. No primeiro grupo estão os algoritmos BROADCOMM, DRG e ROVER. Já no segundo grupo estão A-STAR, GeOpps, VADD, UMB e PBR. No terceiro grupo apenas os algoritmos GPSR e Epidemic se encaixam.
7. Conclusão
Este artigo apresentou os principais algoritmos de roteamento utilizados em redes veiculares, apontando suas características, seus funcionamentos e cenários de uso, ao levantar os principais algoritmos de roteamento utilizados em redes veiculares pode-se obter aspectos relevantes a estes algoritmos e criar uma comparação entre estes.
Ao comparar estes algoritmos de roteamento pode-se obter informações importantes, como por exemplo, onde estes algoritmos podem ser utilizados, em quais aplicações podem ser implementados, tipo de equipamentos a serem utilizados e dependência a um sistema de posicionamento global.
A partir das características dos algoritmos de roteamento apontadas e do quadro comparativo elaborado, tem-se um referencial para futuros trabalhos na área de redes ad
hoc veiculares, o que facilita a construção de projetos no âmbito veicular.
8. Referências
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