Redes Veiculares


Edilson Fernandes Pereira
Lucas Gama Canto
Sandro Alves

Redes de Computadores I - 2016.1 - UFRJ

Introdução

Declaração de Autoria


"Este trabalho foi totalmente produzido pelos autores que declaram não terem violado os direitos autorais de terceiros, sejam eles pessoas físicas ou jurídicas. Havendo textos, tabelas e figuras transcritos de obras de terceiros com direitos autorais protegidos ou de domínio público tal como idéias e conceitos de terceiros, mesmo que sejam encontrados na Internet, os mesmos estão com os devidos créditos aos autores originais e estão incluídas apenas com o intuito de deixar o trabalho autocontido. O(s) autor(es) tem(êm) ciência dos Artigos 297 a 299 do Código Penal Brasileiro e também que o uso do artifício de copiar/colar texto de outras fontes e outras formas de plágio é um ato ilícito, condenável e passível de punição severa. No contexto da Universidade a punição não precisa se restringir à reprovação na disciplina e pode gerar um processo disciplinar que pode levar o(s) aluno(s) à suspensão;"

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Introdução


A expansão da internet e sua presença cada vez mais significativa em nossas vidas, torna viável a execução de diversas tarefas que há uma década atrás poderiam ser consideradas como ficção científica de um futuro distante. Sabemos que a interconexão de pessoas via dispositivos de acesso remoto possibilita maior rapidez e eficiência além de que conforto a execução de tarefas diversas. Dessa forma, aliando os avanços em comunicação e a tecnologia cada vez mais rebuscada nos automóveis atuais, criou-se o que chamamos de Redes Veiculares.

Uma vez que os veículos atuais contam com sistemas cada vez mais inteligentes para facilitar a interação do condutor com o veículo e com o trânsito que o cerca, tais sistemas podem ser: sistemas de frenagem, alarmes, sinalizadores de velocidade, sistema de geolocalização (GPS); a conexão entre veículos através das chamadas Redes Veiculares tem como finalidade possibilitar a interação entre usuários móveis tornando possível a realização de um série de tarefas em rede com a diferença particular de não estar necessariamente estático para realiza-las e ao mesmo tempo eliminando a restrição de interação do condutor somente com seu veículo. Além de possibilitar a conexão com a internet em qualquer lugar, o conceito de Redes Veiculares apresenta o objetivo de tornar o tráfego mais seguro a fim de preservar a integridade do condutor e dos demais condutores e pedestres. A exemplo de problemas que a comunicação entre veículos eliminaria por si só, temos a prevenção de colisões, informações sobre tráfego entre outras. Essas informações podem ser passadas ao condutor ou simplesmente administradas por veículos inteligentes totalmente equipados com sensores e atuadores para esse fim.

Nas redes veiculares há a troca de informações entre os veículos e também de veículos com pontos de acesso fixados nas vias. A principal diferença destas para as redes sem fio comuns é o fato de os nós da rede, compostos pelos próprios automóveis, serem dinâmicos. Neste trabalho serão apresentados os principais problemas e desafios na implementação de redes veiculares além de que aplicações dessa tecnologia nos dias de hoje.

Aplicações

Aplicações


A idéia de um ramo de comunicação entre veículos cria uma série de possibilidades de aplicações que visam melhorar a experiência no trânsito em vias públicas. Nesta seção será abordada três áreas principais de aplicação de redes veiculares.

⚫ Segurança no Trânsito:

A comunicação entre veículos em vias consideradas perigosas pode ser uma excelente ferramenta a favor da segurança de pessoas que possam vir a se envolver em um acidente. Muitos acidentes que envolvem vários veículos podem ser evitados através da propagação de informação. Um exemplo disso pode ser a ocorrência de um acidente em uma estrada de alta velocidade, onde os veículos envolvidos no acidente enviariam advertências para outros veículos que estão indo a caminho do local de acidente, fazendo assim com que estes veículos diminuam a velocidade ou peguem uma rota diferente para seu destino. Esta comunicação também possibilitaria o manuseio de manobras de trânsito com uma maior facilidade e segurança, como em uma ultrapassagem, utilizando a informação de posição e velocidade dos veículos ao seu redor, o motorista poderia tomar uma decisão mais segura de quando deveria ultrapassar o veículo a sua frente ou não.

Figura 1: Exemplo de uma situação de risco que pode ser evitada através de uma rede veicular.

⚫ Assistência ao Motorista:

Além dos benefícios em prol da segurança, existem diversas aplicações de redes veiculares para assistência ao motorista. A localização de pontos de interesse é um exemplo disso, um motorista poderia localizar postos de gasolina, hospitais e vagas de estacionamento a partir de um banco de dados disponível na rede veicular. A advertência de aproximação de veículos de emergência como ambulâncias e viaturas possibilitaria um arranjo planejado de carros antes da chegada de um veículo de emergência para que o mesmo pudesse passar com facilidade. A informação sobre condições de vias e o fornecimento de rotas alternativas também seria um benefício, apesar disto já ocorrer com o uso de aparelhos GPS, a informação fornecida pela rede veicular melhoraria a atualização desses dados. O auxílio a cruzamentos possibilitaria uma melhor fluidez no trânsito e assim, a diminuição de congestionamentos. Todos estes exemplos são aplicações que aumentariam a eficiência de veículos no trânsito.

Figura 2: Uma rede veicular abrange a comunicação entre vários tipos de veículos que podem ser encontrados em uma via púlbica.

⚫ Entretenimento:

As aplicações voltadas ao entretenimento são oriundas da utilização das redes veiculares para o acesso a internet, fazendo assim com que fosse possível o compartilhamento de mídia e a descarga de conteúdo de entretenimento da internet como filmes e música.

Tipos de Redes Veiculares


As comunicações entre os nós em uma rede veicular são baseadas em tecnologias wireless e podem ser organizadas das seguintes formas:

⚫Rede Infraestruturada(V2I)

Neste tipo de rede, os veículos se comunicam com equipamentos fixos localizados nas proximidades das vias de circulação. Quando um veículo estiver dentro da área de captação de sua antena, poderá enviar dados referentes a sensores instalados nos veículos para centrais de monitoramento de trânsito ou utilizadas em outras aplicações. Em contrapartida esses equipamentos podem enviar informações quanto a velocidade da pista, estado das sinalizações luminosas, presença de veículos de emergência e sinais de alertas das condições da via.

Por se tratar de um rede com um nó que fica responsável por fazer o roteamento entre os diversos elementos, algumas tecnologias podem ser implementadas, como por exemplo redes baseadas em Bluetooth, GSM, TDMA, WiFi, etc. Assim diversos serviços podem ser oferecidos além da comunicação entre os veículos e o ambiente.

⚫Rede Ad-Hoc(V2V)

A comunicação ocorre exclusivamente entre os veículos neste tipo de rede. Os pacotes são enviados de um nó para outro dentro da área de funcionamento da antena e o próximo nó, assim que recebe os pacotes, o retransmite adiante até alcançar o destino. Neste caso os veículos atuam como ponto de destino e como roteador.

Devido as características dinâmicas deste tipo de arquitetura, não há um tipo específico de topologia implementado e o roteamento deve ser feito de forma distribuída para que se possa alcançar o destinatário, assim um mesmo pacote é enviado para múltiplos nós até que o pacote seja recebido através de uma das rotas estabelecidas

Outros pontos a considerar são a alternância entre a densidade de nós em uma região, pois sua variabilidade afeta as taxas de transmissão e podem em casos extremos interromper completamente a comunicação, e também a segurança, pois sua vulnerabilidade é alta devido ao fato das conexões serem criadas quando necessárias entre os nós e sem nenhum tipo de administração central da rede.

⚫Rede Híbrida

Ambas as redes anteriores podem ser implementadas em conjunto, complementando uma a outra. Pode-se utilizar a infraestruturada em cruzamentos e em locais de interesse em ruas e estradas com a intenção de informar sobre condições da pista ou sinalização. No caso da ad-hoc, dados como velocidade, distância, frenagem, entre outro podem auxiliar a evitar acidentes e, quando não disponível um controle central de trânsito, regiões de congestionamento.

Figura 3: As redes infraestruturadas(V2I) e ad-hoc(V2V) representadas em uma aplicação de rede híbrida.

Padronizações


Já no final da década de 1990 começou por parte de alguns países a alocação de uma banda livre porém licenciada na faixa de frequências para a execução de aplicações DRSC(Dedicated Short Range Communications) para redes veiculares. Foi escolhido este tipo de comunicação pelo fato das redes veiculares terem uma aplicação em segurança no trânsito, sendo assim necessário uma comunicação dedicada. As comunicações por redes veiculares começaram a ser padronizadas no ano de 2004, quando o IEEE definiu a arquitetura WAVE a qual hoje em dia temos exemplos de implementação que funcionam eficientemente. O IEEE 802.11p WAVE pode ser definida por documentos que modularizam a padronização de sua arquitetura. Os mesmos estão descritos a seguir:

⚫ IEEE 802.11p:

É uma variação do IEEE802.11a que trata de comunicações em redes WiFi locais; esse protocolo é quem define as camadas físicas e de acesso ao meio para redes veiculares.

⚫ IEEE P1609.1:

É o protocolo que padroniza o gerenciamento de aplicações para uma maior eficiência na execução de aplicações na arquitetura WAVE; é função desse padrão simplificar o máximo possível a unidade de bordo(OBU) deixando toda a parte de interpretação e processamento pesado de aplicações para as unidades de acostamento(RSU’s) e para o gerente de aplicações dos dispositivos remotamente conectados as RSU’s, a chamadas Resource Manager Aplications(RMA’s). Seria então função desse padrão distribuir as solicitações de comunicação feita pelas RMA’s que podem estar conectados a uma ou mais unidades de bordo.

⚫ IEEE P1609.2:

Já esse documento trata da segurança de informação em redes veiculares uma vez que normatiza as estruturas usadas em redes veiculares para que a troca de informação ocorra de forma segura, o P1609.2 define por exemplo uma infraestrutura de Chaves Públicas(na qual são utilizadas para criptografar e decriptar uma mensagem um par de chaves, uma de domínio publico e uma secreta para cada cliente), e definido também nesse documento as chamadas PSOBU’s(Public Safety OBU’s) que são unidades de bordo especificas para execução de aplicações de segurança de trafego, temos como exemplo de PSOBU’s veículos de policia e de guardas de transito e autoridades que controlam a entidades comuns através da emissão e revogação de certificados.

⚫ IEEE P1609.3:

Nesse documento estão definidas as estruturas de controle de enlace de rede e de transporte de dados. Temos na pilha de protocolos um plano de gerenciamento que é responsável pela manutenção e configuração do sistema, e um plano de dados que define os serviços usados para troca propriamente dita de informações entre os dispositivos comunicantes. Com relação aos protocolos de comunicação a arquitetura WAVE possui a pilha baseada no IPV6(padrão da internet) e o WAVE Short Message Protocol(WMSP) e com relação a canais de comunicação a arquitetura WAVE conta com dois: o canal de controle(control channel – CCH) e o canal de serviços(Service Channel – SCH). As WMSP’s podem ser enviadas em qualquer um dos canais da banda DSRC alocada enquanto as mensagens IP só podem ser enviadas no canal de serviços. Prioritariamente as aplicações WAVE são executadas no canal de controle ao passo que no canal de serviços temos aplicações de prioridade secundária. A criação do WSMP em redes veiculares se deve a busca de eficiência da comunicação em redes veiculares, uma vez que esse sistema opera em baixa latência e conexão não orientada, o IPV6 se mostrou ineficiente nesse contexto.

⚫ IEEE P1609.4:

Quando citamos a cisão entre um canal de controle e um canal de serviços(CCH e SCH respectivamente) não entramos em detalhes com relação a eles, essa parte do protocolo define justamente a operação desses canais e descreve como ocorre fisicamente as conexões entre os dispositivos e a transmissão de informações nesse canais.

Desafios e Propostas


⚫ Desafios

Um dos grandes desafios do desenvolvimento e controle de uma rede veicular, é a alta mobilidade entre os nós. Como os carros se comportam como roteadores movéis, o fornecimento de rede se torna um grande desafio devido ao fato de que veículos estão sempre em movimento quando estão sendo utilizados e assim podem chegar em altas velocidades, o que pode prejudicar a conexão de um veículo ao outro, por exemplo, impedindo que haja uma troca de pacotes de dados.

⚫ Propostas

Apesar dos problemas a serem enfrentados, algumas iniciativas já demonstram a emersão do uso de redes veiculares, como é o caso da empresa Veniam, uma startup que construiu e atualmente opera uma rede veicular V2V (Veículo para Veículo) situada na cidade de Porto, Portugal, providenciando a troca de dados entre os veículos que transitam pela cidade e o acesso WiFi para seus passageiros.

Figura 4: Logotipo da Veniam, empresa que atualmente gerencia uma rede veicular em Portugal.

A proposta da empresa é criar uma "Internet das Coisas Móveis" para aplicações em Smart Cities e ITS (Inteligent Tranposrt Systems) de forma a otimizar o trânsito e outras aplicações que envolvem todo e qualquer tipo de veículo como carregamento de carga em cais.

Desta forma pode-se afirmar que apesar dos desafios que podem ser encontrados no desenvolvimento de uma rede veicular, a crescente quantidade de conteúdo de pesquisa acerca do assunto demonstra o interesse da sociedade sobre essa tecnologia que pode trazer benefícios inegáveis à qualidade de transporte de uma cidade.

Perguntas e Respostas


1) De que forma uma rede veicular pode auxiliar o trânsito, os motoristas, e os passageiros?
R = Uma rede veicular pode fornecer informações sobre o tráfego ao condutor de forma a suavizar o trânsito, fornecer acesso a internet para os passageiros e impedir acidentes.


2) Quais são os tipos de redes veiculares já formalizados e quais são suas vantagens e desvantagens?
R = Veículo para Veículo: Baixo custo, porém dependente da densidade de carros na via. Infraestruturado: Independe da quantidade de carros na via, entretanto, caro de ser implementado. Híbrido: Busca alcançar um equilíbrio entre ambos os tipos.


3) Quais são os protocolos que normatizam uma rede veicular e de que cada uma trata?
R = IEEE 802.11p : Camada física MAC.
IEEE P1609.1 : Gerenciamento de Serviço.
IEEE P1609.2 : Segurança.
IEEE P1609.3 : Serviços de camada de controle de enlace.
IEEE P1609.4 : Canal de controle e múltiplos canais de serviço.


4) Qual a principal dificuldade na implementação de redes veiculares?
R = A Alta mobilidade dos nós (veículos).


5) Porque foi utilizado a comunicação DSRC para o aloucamento das frenquências para redes veiculares?
R = Uma rede veicular pode fornecer informações sobre o tráfego ao condutor de forma a suavizar o trânsito, fornecer acesso a internet para os passageiros e impedir acidentes.

Bibliografia

Bibliografia


⚫ Rafael dos S. Alves, Igor do V. Campbell, Rodrigo de S. Couto, Miguel Elias M. Campista, Igor M. Moraes, Marcelo G. Rubinstein, Lus Henrique M. K. Costa, Otto Carlos M. B. Duarte e Michel Abdalla. (2009). Redes Veiculares: Princípios, Aplicações e Desafios.

⚫ Saleh Yousefi, Mahmoud Siadat Mousavi, Mahmood Fathy. (2006). Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs): Challenges and Perspectives.

⚫ Kevin C. Lee, Uichin Lee, Mario Gerla. (2010). Survey of Routing Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks.

⚫ Mario Gerla, Leonard Kleinrock. (2011). Vehicular networks and the future of the mobile internet.

⚫ Abdeldime M.S. Abdelgader, Wu Lenan. (2014). The Physical Layer of the IEEE 802.11p WAVE Communication Standard: The Specifications and Challenges.

http://www.mogi.bme.hu/TAMOP/jarmurendszerek_iranyitasa_angol/ch08.html#ch-8.1 - Último acesso em 13/07/2016.

http://www.mogi.bme.hu/TAMOP/jarmurendszerek_iranyitasa_angol/ch09.html - Último acesso em 13/07/2016.

Figuras