Protocolos de comunicação em redes veiculares
Disciplina: Redes de Computadores II
Alunos: Felipe Barreto Andrade e Giuliano Fittipaldi
Grupo 6
Motivação
O crescimento do tráfego nas áreas urbanas e a necessidade de melhorar a segurança impulsionaram o desenvolvimento das redes veiculares ou VANETs. Com o surgimento do IoT e conexões rápidas, surgiu-se o potencial de aprimorar a segurança, eficiência e conectividade no trânsito, bem como viabilizar a adoção de veículos autônomos e otimizar a gestão do tráfego. Além disso, essas redes contribuem para a criação de um sistema de transporte mais inteligente, com benefícios como a redução de congestionamentos, economia de combustível e prevenção de acidentes.
Figura 1: Veículos se comunicando
Disponível em
<Vehicle-to-Vehicle Communication: Let the car message while driving, not you!>
Definição
Redes Veiculares (Vehicular Networks) são redes de comunicação sem fio criadas para conectar veículos com infraestrutura rodoviária e sistemas de transporte. Tais redes possibilitam a troca de informações entre veículos e outros elementos do ambiente em estradas e rodovias, como telefones, sinais de trânsito, outros carros, a própria rede, etc.
As camadas de comunicação têm um papel fundamental na criação de redes. A integração bem-sucedida de funcionalidades em cada camada é essencial para garantir que as redes veiculares atendam às necessidades de comunicação em ambientes de tráfego e trânsito.
Camada de Aplicação
A camada de aplicação está no topo da pilha de protocolos e oferece serviços de aplicação aos usuários e sistemas. Ela formata os dados para display, gerencia interfaces com o usuário, implementa protocolos de aplicação específicos e interage com aplicativos de usuário final. Também é responsável pela integração de serviços de rede com software de usuário e suporta diferentes tipos de aplicativos, como navegadores, e-mail, mensagens e muito mais.
Camada de Rede
Em redes veiculares, a camada de rede desempenha um papel crucial na comunicação entre veículos e com a infraestrutura. Uma das principais distinções é o uso de roteamento baseado em localização. Os veículos se comunicam diretamente uns com os outros ou com a infraestrutura com base em sua proximidade geográfica. Isso é essencial para aplicações de segurança, como alertas de colisão iminente. Para isso, protocolos como o GeoNetworking são empregados, permitindo o roteamento de mensagens com base nas informações de localização, garantindo que apenas informações relevantes sejam transmitidas para os veículos em uma determinada área geográfica. Essa abordagem ajuda a otimizar a largura de banda e a reduzir a sobrecarga na rede.
Camada de Transporte
A camada de transporte em redes veiculares lida com a entrega de dados e o controle de fluxo, mas com algumas nuances. O controle de conexão pode ser menos comum, uma vez que as comunicações são frequentemente ad hoc (rede descentralizada que os dispositivos se comunicam diretamente entre si, normalmente são temporárias) e dinâmicas. No entanto, devido à importância de aplicações de segurança, como alertas de colisão iminente, a camada de transporte pode priorizar a entrega de dados críticos para garantir que informações essenciais sejam transmitidas rapidamente, protegendo a segurança dos ocupantes dos veículos. O gerenciamento eficiente de dados em trânsito é fundamental, e a camada de transporte é responsável por garantir que os pacotes sejam entregues com confiabilidade e no momento certo.
Camada de Enlace de dados
A camada de enlace de dados opera na comunicação ponto a ponto. Ela trata do controle de acesso ao meio (MAC), ou seja, controla o acesso ao meio físico de transmissão garantindo que numa rede compartilhada vários dispositivos possam transmitir seus dados de forma organizada. Também trata da divisão de quadros em pacotes, do encapsulamento de dados em quadros, do controle de fluxo e retransmissão de pacotes, da detecção de erros e rejeição de quadros defeituosos e do endereçamento físico (endereço MAC). Além disso, ela coordena a comunicação entre dispositivos na mesma rede local.
Camada Física
A camada física é responsável pela conversão de dados em sinais físicos para transmissão. Isso inclui o controle de modulação e demodulação, o gerenciamento de frequência e largura de banda, a detecção e correção de erros, o controle de potência de transmissão, bem como a própria transmissão e recepção de sinais físicos.
Os Padrões de Comunicação em Redes Veiculares desempenham um papel fundamental na garantia da interoperabilidade e eficácia das comunicações entre veículos, antenas, e qualquer outro elemento da rede.
Figura 2: Tipos de comunicação
Disponível em
IEEE 802.11p (WAVE)
Também conhecido como Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE), é um padrão de comunicação sem fio desenvolvido para atender às necessidades das redes veiculares.
Ele opera na faixa de frequência de 5.9 GHz e oferece comunicações de curto alcance (cerca de 300 metros) entre veículos (V2V) e entre veículos e infraestrutura (V2I). O WAVE é muito utilizado em aplicações de segurança viária, como sistemas de alerta de colisão e interseções seguras.
Na figura 3 podemos ver o DSRC (Dedicated Short-Range Communication) que é um padrão que definiu a faixa de operação do WAVE, pois ele deixa a banda de 5,85 a 5,925 GHz reservada para comunicação V2V
Figura 3: Frequências DSRC reservadas
Disponível em
<Arena, F.; Pau, G.; Severino, A. A Review on IEEE 802.11p for Intelligent Transportation Systems. J. Sens. Actuator Netw. 2020, 9, 22. https://doi.org/10.3390/jsan9020022>
Como mostrado na Figura 3, o espectro DSRC está organizado em sete canais de 10 MHz. A faixa de guarda (guard band) é de 5 MHz, ou seja, uma faixa de frequências deixada desocupada entre canais adjacentes em comunicações sem fio para evitar interferência entre eles e garantir um funcionamento eficiente e confiável.. O canal 178 (5,885-5,895 GHz) é reservado exclusivamente para comunicações de segurança e é chamado de canal de controle (CCH). É o único canal compartilhado entre todos os dispositivos WAVE e, consequentemente, constitui um ponto de ligação entre os nós. Os dois canais nas extremidades do espectro são reservados para aplicações prospectivas e usos específicos, como prevenção avançada de acidentes e usos de segurança pública. Os canais restantes são canais de serviço (SCH) para as aplicações restantes e comunicações regulares. Pares desses canais adjacentes também podem ser combinados em um canal de 20 MHz. No entanto, a necessidade de canais de 10 MHz está associada ao uso de aplicações paralelas e, como resultado, à redução parcial do congestionamento de canais. Além disso, testes físicos comprovam que canais de 10 MHz são mais adequados tanto para atrasos quanto para o efeito Doppler verificado em ambientes veiculares.
Cellular V2X (C-V2X)
Também conhecido como Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) é uma abordagem que utiliza redes celulares para habilitar a comunicação V2V, a comunicação V2I e outras formas de comunicação. Ele é baseado na tecnologia 4G e 5G e oferece maior alcance em comparação com o WAVE. O C-V2X é conhecido por sua capacidade de fornecer comunicações de alta velocidade e baixa latência, sendo especialmente pensado hoje em dia para aplicações de veículos autônomos e segurança no trânsito.
Vamos definir suas subcategorias:
O C-V2X utiliza a conexão 3GPP, 4G LTE ou 5G NR para transmitir e receber sinais. Ele opera por meio de dois modos de transmissão complementares. O primeiro modo permite a comunicação direta com veículos, infraestruturas e pedestres nas vias. Nesse caso, o C-V2X funciona de forma independente das redes celulares, utilizando uma interface PC5 para comunicação. O segundo modo envolve a comunicação por meio das redes celulares tradicionais, onde o C-V2X utiliza a rede móvel convencional para permitir que os veículos recebam informações sobre as condições das estradas e do tráfego na região, empregando a interface Uu para comunicação.
Com a evolução e a implantação da tecnologia C-V2X, acidentes fatais decorrentes de erros humanos ou condições de estrada, bem como congestionamentos de tráfego em situações especiais ou acidentes, deixarão de ser um problema. A capacidade de detectar riscos por meio do V2V e V2P antes que se tornem ameaças, bem como a capacidade de identificar engarrafamentos de tráfego por meio do V2I e V2N antes de serem visíveis, está prestes a se tornar uma realidade. Essa visão de estradas mais seguras e viagens mais eficientes pode ser alcançada por meio da combinação do C-V2X, dos Sistemas de Transporte Inteligente e do 5G.
Figura 4: Basic V2X layout
Disponível em
<The 3G4G Blog: An Introduction to Vehicle to Everything (V2X) and Cellular V2X (C-V2X)>
Embora veículos autônomos estejam equipados com sensores avançados, como câmeras, LiDAR (Light Detection and Ranging), radares, GNSS (Global Navigation System Satellite) e CAN (Controller Area Network), os veículos ainda adotam o C-V2X, isso acontece porque o C-V2X tem a capacidade de detectar riscos e situações de tráfego em distâncias maiores. Veículos autônomos completamente equipados não conseguem detectar objetos que não estejam em linha direta de visão (NLOS, non-line-of-sight). O C-V2X supera esse desafio utilizando a comunicação de ligação lateral (side link) por meio da interface PC5, ou seja, através da capacidade de comunicação direta entre veículos ou entre veículos e outros elementos da infraestrutura rodoviária em que os veículos estão próximos, mas não necessariamente em linha direta de visão uns dos outros. Também pode resolver esse problema através de rede celular para recursos de segurança adicionais.
Os sensores veiculares desempenham um papel fundamental na funcionalidade básica da direção autônoma, o que permanecerá inalterado no futuro e é essencial para a segurança. No entanto, a indústria automobilística reconhece que a conectividade é crucial para aumentar a segurança e o conforto, especialmente em níveis mais elevados de automação como a automação condicional ou automação elevada. Além disso, o C-V2X tem a capacidade de agregar informações coletadas na percepção cooperativa, atualizar mapas com informações precisas sobre a estrutura das estradas e distribuir mapas em alta definição (HD) para veículos com base em suas localizações. Isso possibilita serviços avançados, como detecção de pontos cegos, percepção de longo alcance, direção remota e formação de comboios (os carros se movem em sincronia enquanto estão muito próximos uns dos outros, quase como se fosse um “engarrafamento em movimento”), contribuindo para o aumento da capacidade das estradas, a segurança do motorista e o conforto.
As redes veiculares representam uma área de pesquisa e desenvolvimento em crescimento, com potencial para revolucionar a segurança e a eficiência no trânsito, bem como abrir portas para uma nova gama de serviços e aplicações em mobilidade. Nesta seção, exploraremos diversas aplicações de redes veiculares, destacando como essa tecnologia está sendo implementada para aprimorar a segurança nas estradas, melhorar a gestão do tráfego e proporcionar uma experiência de condução mais inteligente e conectada.
Segurança
A comunicação Vehicle-to-Vehicle permite que veículos troquem informações em tempo real, como posição, velocidade e direção, criando uma rede de comunicação ad hoc entre os automóveis na estrada. Uma das principais aplicações no que tange segurança nas estradas é o compartilhamento de informações sobre a dinâmica dos veículos. Com a troca de informações sobre sua posição, velocidade e direção, veículos podem detectar colisões iminentes e alertas aos motoristas para evitar acidentes ou, em carros com comportamento mais autônomo, tomar medidas ativas. Além das informações de dinâmica entre veículos, também pode ser interessante alertar sobre ações do próprio motorista para seus arredores, como é o caso de frenagens abruptas, reduzindo a imprevisibilidade do trânsito.
Na comunicação Vehicle-to-Infrastructure é possível que veículos troquem informações com a infraestrutura ao seu redor. Isso pode ser útil para qualquer tipo de aplicação que requer reconhecimento, rastreio ou interoperabilidade entre veículos e empresas ou montadoras. Um exemplo é o rastreio e controle de veículos de carga ou transporte de bens, por empresas. Tanto assegurar que a rota de operação está sendo cumprida como esperado, quanto monitorar o comportamento do motorista e gerenciar emergências, é permitido com o uso de redes V2I. Essa aplicação já pode ser vista em desenvolvimento por empresas de distribuição e apresenta um perfil promissor do ponto de vista de eficiência das operações. Com redes V2I também é possível o controle de tráfego de veículos em áreas com acesso limitado, aumentando a segurança de empresas/empreendimentos/áreas militares.
Eficiência de tráfego
O uso da comunicação V2V vai além de aumentar a segurança no trânsito. O compartilhamento de posição, velocidade e direção em tempo real pode ser usado para otimizar o fluxo de tráfego na estradas - como demonstrado no artigo [6] - ao ajudar a reduzir comportamentos irresponsáveis por parte dos motoristas. Com a comunicação V2I em conjunto a uma central de processamento centralizado é possível gerenciar o trânsito. A partir de uma visão mais holística do tráfego de uma região, é possível recomendar rotas e velocidade de deslocamento aos condutores, e até - em um cenário mais distante - sincronizar semáforos de acordo com a demanda de veículos.
Figura 5: Distância ideal para o fluxo de tráfego
Disponível em
<https://www.qld.gov.au/transport/safety/rules/road/distances >
Condução autônoma e assistida
Ambas as áreas de aplicação citadas acima podem ser levadas um passo adiante quando entramos na resposta ativa dos veículos. No quesito segurança, as manobras evasivas e a interoperabilidade dos veículos pode ser gerenciada de forma autônoma, desde que cada veículo possua capacidades de comunicar seus dados efetivamente, idealmente seguindo as premissas da Ultra-Reliable-Low-Latency Communication (URLLC), e lidar com eles em uma alta taxa de processamento.
Para a eficiência do tráfego, os mesmos requisitos devem ser aplicados, porém com uma troca de dados que vai além dos dados de controle e emergências, o que pode aumentar o communication overhead. Da mesma forma, o gerenciamento do tráfego pode ser feito de forma autônoma, reduzindo a responsabilidade do condutor e aumentando a responsabilidade dos engenheiros e projetistas do sistema.
Figura 6: Reconhecimento de ambiente para medidas ativas do carro
Disponível em
Além disso, o uso de redes veiculares junto a condução autônoma também pode beneficiar: distribuidores, otimizando rotas, coordenando frotas e consequentemente reduzindo gastos operacionais, como o combustível.
Em um nível mais pessoal de aplicação, as redes podem ser utilizadas para gerar conforto ao motorista, como é o caso da direção assistida e o estacionamento autônomo.
Atualização de software dos veículos
Uma aplicação que vale ser comentada é a atualização/upgrade de veículos de forma remota. Com o software cada vez mais sendo parte íntegra dos veículos, possíveis atualizações de segurança ou performance são realizadas apenas no computador de bordo. Dessa forma, o uso da comunicação V2I permite que montadoras enviem atualizações de forma remota aos veículos, sem precisar trazê-los à fábrica ou oficina licenciada, otimizando a manutenção e gerando novas possibilidades comerciais.
Apesar de amplas aplicações promissoras, redes veiculares enfrentam três desafios essenciais. A escalabilidade, devido ao aumento de veículos conectados; a privacidade e proteção de dados, ao compartilhar informações sensíveis; e a integração com a infraestrutura existente, requisitando padrões e regulamentações para garantir eficiência e segurança. Enfrentar estes desafios é fundamental para a evolução da mobilidade conectada e autônoma.
Escalabilidade
À medida que o número de veículos conectados aumenta, a capacidade da rede de acomodar e gerenciar um grande volume de informações e comunicações torna-se um desafio significativo. É importante notar que o avanço de outras tecnologias que permitem uma variedade maior de aplicações, podem exigir um maior tráfego de dados e portanto também podem aumentar o desafio de escalabilidade. Para assegurar a escalabilidade, é necessário projetar redes veiculares com protocolos eficientes, algoritmos de roteamento inteligentes e capacidade de adaptação dinâmica à carga de tráfego, a fim de atender às crescentes demandas de comunicação V2V e V2I, garantindo que o desempenho da rede seja mantido, independentemente do tamanho da frota de veículos conectados. No contexto veicular, no qual a segurança e a robustez são fulcrais, a escalabilidade deve ser garantida sempre.
Privacidade e proteção de dados
O desafio da privacidade e proteção de dados em redes veiculares é de extrema importância, uma vez que esses sistemas dependem da coleta e compartilhamento de informações sensíveis sobre a localização, velocidade e comportamento dos veículos. Garantir que esses dados sejam protegidos contra acessos não autorizados e usos indevidos é fundamental para preservar a privacidade dos motoristas e passageiros, além de evitar potenciais riscos de segurança cibernética. Ao mesmo tempo, é necessário equilibrar a necessidade de compartilhar dados para melhorar a segurança e a eficiência no trânsito com a proteção da privacidade. Portanto, o desenvolvimento de políticas de privacidade robustas, a implementação de medidas de segurança cibernética e a adoção de técnicas de anonimização de dados são elementos essenciais na abordagem desse desafio complexo em redes veiculares.
Integração com a infraestrutura existente de transportes
A integração das redes veiculares com a infraestrutura de transporte existente representa um desafio significativo devido à necessidade de harmonizar tecnologias e sistemas de comunicação em um ambiente já estabelecido. Primeiramente, as estradas e vias de transporte foram projetadas e construídas sem considerar a infraestrutura de comunicação necessária para redes veiculares. A adaptação requer investimentos em equipamentos de comunicação, como sensores, antenas e estações-base, para permitir a transmissão e recepção de dados entre veículos e infraestrutura. Além disso, a interoperabilidade entre diferentes fabricantes e padrões de comunicação deve ser garantida para que todos os veículos possam participar efetivamente, o que pode gerar entraves e acordos comerciais que podem desacelerar a implementação e desestimular o ambiente de inovação. A privacidade e a segurança dos dados também são desafios críticos, uma vez que informações sensíveis sobre a localização e o comportamento dos veículos são distribuídos pela infraestrutura. Em suma, a integração com a infraestrutura existente requer uma abordagem envolvendo regulamentações, investimentos em infraestrutura e padrões de comunicação bem definidos para garantir que as redes veiculares possam funcionar de forma segura e eficaz em um ambiente de transporte já estabelecido.
Muitas soluções estão em desenvolvimento para os desafios presentes em aplicações de ponta em redes veiculares. A eficiência de comunicação, robustez, privacidade e interoperabilidade são os principais gargalos, presentes não só pela tecnologia disponível, mas também pela natureza altamente dinâmica das redes veiculares.
Comunicação 5G
Os padrões 5G desempenham um papel fundamental no avanço das redes veiculares, particularmente através do conceito de Ultra-Reliable-Low-Latency Communication (URLLC). A capacidade do 5G de fornecer conectividade de alta velocidade e baixa latência é essencial para aplicações de segurança crítica em veículos autônomos. Com o URLLC, as redes veiculares podem oferecer comunicações praticamente em tempo real, permitindo que os veículos troquem informações críticas instantaneamente, como dados de sensores, status de condução e alertas de segurança. Isso é essencial para garantir a segurança nas estradas, uma vez que os veículos autônomos precisam reagir a eventos imprevistos em frações de segundo. Além disso, o 5G URLLC torna possível a coordenação eficiente entre veículos e a infraestrutura rodoviária, o que é essencial para otimizar o fluxo de tráfego e garantir uma experiência de condução autônoma suave e segura. Abaixo temos as especificações em desenvolvimento para sistemas 5G com URLLC.
Especificação | Objetivo |
Latência | 1 ms para downlink e uplink |
Densidade de serviço | 1,000,000 equipamentos por |
Reliability | 99.999% taxa de sucesso |
Tempo de interrupção devido a mobilidade | 0 ms |
Ciclo de vida da bateria | 10 anos |
Tabela 1: Especificações de sistemas 5G
Aprendizado federado
O Aprendizado Federado (Federated Learning) é uma abordagem de treinamento de modelos de aprendizado de máquina distribuído e descentralizado que tem o potencial de ser altamente benéfico para redes veiculares. Permite que modelos de aprendizado de máquina sejam treinados nos próprios dispositivos ou veículos, em vez de centralizar os dados em um servidor central. Com isso, diversos problemas relacionados à privacidade de dados e communication overhead podem ser mitigados. Esse método evita que usuários necessitem enviar dados pessoais para unidades de controle centralizadas, protegendo a integridade de seus dados e diminuindo a carga de comunicação, tanto na camada física quanto na camada de rede.
O aprendizado federado também abre possibilidade para outras aplicações e arquiteturas para redes veiculares, como é o caso de redes federadas em nuvem [7], desenvolvimento de modelos de reconhecimento de imagens para o setor automotivo entre outras.
Figura 7: Arquitetura da Federated Vehicular Network.
Disponível em
"Federated Learning in Vehicular Networks: Opportunities and Solutions," [7]
O-RAN
A arquitetura O-RAN (Open Radio Access Network) tem o potencial de desempenhar um papel significativo no avanço das redes veiculares, especialmente em relação à conectividade de comunicação sem fio. O-RAN promove uma abordagem de rede aberta e que busca padronizar a arquitetura e o conjunto de interfaces para a RAN, permitindo a interoperabilidade entre fornecedores, flexibilidade na implantação de redes e a capacidade de otimizar recursos de comunicação de acordo com as necessidades específicas das redes veiculares. Isso pode resultar em redes mais eficientes, escaláveis e economicamente viáveis, que são essenciais para a implementação bem-sucedida de comunicações entre veículos autônomos, comunicação veículo-infraestrutura e serviços relacionados à mobilidade. Além disso, ao adotar padrões abertos e flexíveis, o O-RAN pode acelerar o desenvolvimento de soluções inovadoras que aprimorem a segurança, a conectividade e a eficiência das redes veiculares, contribuindo para um transporte mais seguro e eficaz.
