Investigação sobre o Uso de VANTs em Redes DTN para

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1 Investigação sobre o Uso de VANTs em Redes DTN para Cenários de Emergência José Carlos de Albuquerque, Sidney C. de Lucena, Carlos Alberto V. Campos 1 Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro (UNIRIO) Avenida Pasteur, 584 Rio de Janeiro RJ Brazil {jose.albuquerque, sidney, beto}@uniriotec.br Abstract. The communication between rescue teams and the command center (CC) of search operations in disaster areas is frequently affected by geographical obstacles, making it not effective. One way to overcome such problems is to use unmanned aerial vehicles (UAV) as mobile nodes of a delay tolerant network (DTN), that gives support to communications. This paper evaluates the performance of different DTN routing protocols through simulations based on real flight traces of an UAV over a scenario of natural disaster. Obtained results allow the verification of proper routing protocols and the cost/benefit relationship between number of UAVs and performance of the DTN. Resumo. A comunicação entre equipes de resgate e o centro de comando (CC) de operações de busca em áreas de catástrofe é frequentemente afetada por obstáculos geográficos, tornando-a ineficaz. Uma forma de superar tais problemas é utilizando veículos aéreos não tripulados (VANTs) como nós móveis de uma rede tolerante a atrasos e desconexões (DTN), servindo de apoio às comunicações. Este artigo analisa o desempenho de diferentes protocolos de roteamento DTN através de simulações baseadas em traços reais de voo de um VANT sobre um cenário de desastre natural. Os resultados obtidos permitem verificar os protocolos mais adequados e a relação custo/benefício entre o número de VANTs e o desempenho da DTN. 1. Introdução No Brasil, de acordo com a base de dados internacional de desastres, encontrada em [EM-DAT 2012], os desastres mais recorrentes desde 1900 são as inundações, causadas principalmente por fortes chuvas, e em seguida os deslizamentos de terra, geralmente decorrentes dessas inundações. Especificamente no Estado do Rio de Janeiro, principalmente no período compreendido entre os meses de Janeiro e Fevereiro, existem diversas áreas com níveis pluviométricos altos, o que invariavelmente leva a situações de enchente e alagamento. Estradas interditadas, pontes destruídas, casas parcial ou integralmente soterradas ou inundadas - esses são alguns dos resultados decorrentes do cenário catastrófico que se abate sobre essa região nesta época do ano. Em meio a este cenário caótico, existem as equipes de socorro e resgate que precisam estar em constante comunicação com as bases de comando que coordenam estas operações. Tradicionalmente, toda a comunicação entre as equipes de resgate e o centro de comando, assim como entre as equipes em si, ocorre de forma verbal com o auxílio de equipamentos de rádiocomunicação nas faixas de VHF e UHF. Entretanto, na ocorrência 163

2 de obstáculos geográficos ou por dificuldades na instalação de antenas para a transmissão do sinal de rádio, nem sempre esta comunicação é eficaz. Nestes cenários, a utilização de uma rede tolerante a atrasos e desconexões (delay/disruption tolerant network - DTN) [Warthman 2003, Venkataraman et al. 2009], adaptada para trabalhar com nós móveis, pode ser uma importante estrutura de apoio às equipes de socorro. Uma DTN é um tipo de rede sem fio na qual não se exige conectividade fim-a-fim e que são caracterizadas por atrasos, longos ou variáveis, no encaminhamento das mensagens, ou ainda pela intermitência das conexões. Como a superação de obstáculos geográficos pela via aérea é claramente uma forma mais rápida de se atingir locais isolados por desastres naturais, os Veículos Aéreos Não-Tripuláveis (VANTs) surgem como uma vantajosa opção para uso como nós móveis desta DTN. Os VANTs, como o próprio nome diz, são veículos aéreos que podem ser controlados de forma remota, por um operador, ou terem seu percurso pré-programado. Esses veículos podem ser classificados em 5 categorias básicas [Sarris 2001], as quais englobam tanto as aeronaves de asa fixa (aviões e planadores) quanto as de asas rotativas (helicópteros e girocópteros), e as que não se enquadram exatamente em nenhuma dessas categorias (quadricópteros, foguetes e balões). Equipando-se os VANTs para que estes se comportem como nós móveis de uma DTN, conquista-se uma ampla capacidade de mobilidade que propicia o estabelecimento de uma comunicação de dados entre os VANTs e entre estes e os nós terrestres, como as equipes de busca e/ou resgate e o centro de comando. Além disso, este tipo de comunicação potencializa a troca de informações entre equipes e centro de comando, uma vez que permite o envio de imagens e outros tipos de dados. Devido às características de intermitência nas conexões entre os nós de uma DTN, juntamente com a posssível mobilidade dos mesmos, foram propostos diversos protocolos de roteamento que contemplam as necessidades genéricas de uma DTN. Estes protocolos são baseados no envio, armazenamento e repasse de mensagens, com diferentes estratégias para cada etapa. Estas estratégias almejam melhorar diferentes aspectos relacionados ao desempenho e à eficiência na entrega de mensagens, sendo que estes fatores podem variar bastante de acordo com o cenário de uso e a rede em si. Assim sendo, o objetivo deste artigo é investigar o desempenho dos principais protocolos de roteamento DTN quando aplicados a uma rede formada por VANTs e nós terrestres, com finalidade de apoiar as operações de socorro em cenários de desastres naturais. Para tal, foram coletados dados reais de voos realizados com um VANT do tipo asa voadora numa trajetória pré-programada para cobrir quatro zonas de interesse e o local do centro de comando das operações de socorro relativas a uma enchente em Janeiro de 2013 no distrito de Xerém, município de Duque de Caxias (RJ). A partir destes dados, foram realizadas simulações variando o número de equipes nas zonas de interesse e o número de VANTs. Os protocolos utilizados nas análises foram o Epidemic, o Prophet, o Spray and Wait e o Maxprop, por serem os mais popularmente adotados em trabalhos ligados a DTN. O desempenho dos mesmos foi analisado com base na fração de mensagens entregues, latência e overhead na entrega de mensagens. Pelos resultados obtidos, é possível verificar os protocolos mais adequados para este tipo de cenário e a relação custo/benefício entre número de VANTs e a melhora no desempenho da DTN. O restante do texto está organizado da seguinte forma: a Seção 2 apresenta os 164

3 trabalhos relacionados; a Seção 3 descreve brevemente os protocolos de roteamento DTN a serem analisados; a Seção 4 descreve o protótipo e o cenário utilizado para a coleta de dados; a Seção 5 detalha as simulações realizadas; a Seção 6 apresenta os resultados; for fim, a Seção 7 traz a conclusão e trabalhos futuros. 2. Trabalhos relacionados Historicamente a comunicação entre as equipes de socorro e destas com o centro de controle se dá pela utilização de rádios na faixa de VHF/UHF, que operam no sistema half-duplex, ou seja, apenas um fala de cada vez enquanto o(s) outro(s) escuta(m). No entanto, novas tecnologias de comunicação para auxiliar nesses cenários vêm sendo propostas, como em [Dilmaghani and Rao 2008], onde uma infraestrutura de comunicação baseada em redes mesh é proposta para ser implementada nesse tipo de cenário. Em [Braunstein et al. 2006] é proposta uma nova arquitetura de rede sem fio híbrida e distribuída para auxiliar as equipes de emergência de forma escalável. Baseia-se em uma estrutura do tipo mesh para prover conectividade entre os nós e dos nós para o mundo (Internet). Um dos problemas dessas soluções é a necessidade de instalação de pontos infraestruturados, o que nem sempre é possível em virtude das limitações da área do desastre. Uma solução interessante apresentada em [Dilmaghani and Rao 2008] é a utilização de tiers, ou níveis, para separar os diversos tipos de conexões entre dispositivos. Em um nível temos clientes utilizando PDAs, notebooks e itags (por exemplo, etiquetas RFID). Em outro nível temos nós mesh e um terceiro nível links provê conexão à Internet. Embora essa solução também precise de nós infraestruturados no segundo nível, uma vez que a solução é separada em níveis existe a possibilidade de substituir a tecnologia utilizada neste nível por uma solução mais adequada para um ambiente de desastre. O trabalho em [Yarali et al. 2009] também propõe redes mesh como solução de conectividade em cenários de emergência. No entanto, se os roteadores e gateways não puderem contar com fontes de energia capazes de alimentá-los por longos períodos, eventualmente alguns desses equipamentos poderão ficar inoperantes, comprometendo a conectividade. Um algoritmo hierárquico para DTN é proposto em [Mota et al. 2009] com o intuito de suprir eventuais carências de infraestrutura numa rede de comunicação. Esse algoritmo objetiva aumentar a taxa de entrega de dados em redes intermitentes sem afetar o overhead de comunicação da rede. Em [Jiang et al. 2011] é proposta uma forma de utilizar DTNs para auxiliar vítimas numa situação de emergência. A proposta é a de que os celulares das vítimas sejam utilizados como nós em uma rede oportunística que se vale de um protocolo Epidemic modificado para este fim. Neste contexto, um cenário hipotético de incêndio em um prédio de três andares é explorado em [Gelenbe and Gorbil 2012], onde é verificada a resiliência em caso de falhas de alguns dos nós móveis. Durante um desastre, a percepção da situação ou o entendimento da gravidade e extensão da situação de emergência é um fator critico para minimizar o número de feridos, mortos e danos a propriedades. Em [Fall et al. 2010] é proposta uma arquitetura tolerante a desconexões na qual as pessoas comuns, envolvidas diretamente com a situação de desastre ou não, possam fornecer informações como texto, imagens etc às equipes de apoio e resgate. Para isso, basta que essas pessoas estejam próximas de um outro nó da 165

4 rede capaz de encaminhar as mensagens, o que nem sempre é viável. Em [Sivakumar and Tan 2010] é proposto um mecanismo de controle para permitir o voo em formação de vários VANTs, com o objetivo de utilizar esses VANTs como backbone para conectar eventuais nós móveis em terra ao redor de uma área específica onde haja equipes de resgate ou sobreviventes. Entretanto, neste trabalho não é investigado o desempenho dos protocolos de roteamento. Em [Martin Campillo et al. 2012] apresenta-se um estudo do desempenho de alguns protocolos de redes DTN para cenários de emergência. O estudo considera que os nós estarão se deslocando da área do incidente para a área onde será feita a triagem das vítimas, trocando mensagens entre si nessas regiões e no caminho de uma região para outra. Entretanto, não é considerado o uso de VANTs. 3. Protocolos de Roteamento DTN A DTN é um tipo de rede que funciona diferentemente das redes ad hoc, pois não necessita que exista um caminho ou rota fim-a-fim para a entrega de mensagens. Essas redes aproveitam-se de contatos oportunísticos para tentar prover conectividade, mesmo que com atrasos ou interrupções, a outros nós que, de outra forma, estariam completamente desconectados do restante da rede. Para isso elas utilizam-se de uma técnica denominada armazena-transporta-encaminha (store-carry-forward), onde os nós da rede podem armazenar a mensagem e a transportar até que esta possa ser entregue ao seu destinatário ou encaminhada para outro nó com o mesmo objetivo. Os protocolos convencionais de redes ad hoc, focados em situações onde os nós agem como roteadores, falham ao estabelecer rotas em DTNs. Portanto, as redes DTN precisam de protocolos específicos para o seu modo de funcionamento. Dentre os mais conhecidos, estão o Epidemic, o Maxprop, o Spray and Wait e o Prophet. Estes são os protocolos usados nas simulações realizadas no contexto deste trabalho. O protocolo Epidemic[Vahdat and Becker 2000] tenta disseminar cópias das mensagens por toda a rede, ou seja, todos os nós podem estar transportando a mensagem e cada nó, ao encontrar com o outro nó da rede, apenas troca as mensagens que eles não têm em seus buffers de memória. Essa técnica de disseminação garante uma alta tolerância a falhas de nós na rede, garantindo um número suficiente de trocas de mensagens entre todos os nós da rede e, eventualmente, recebendo as mensagens em um curto período de tempo. Esta abordagem não requer informações sobre topologia da rede, entretanto os recursos da rede podem ser consumidos de forma bastante voraz. O Protocolo Maxprop[Burgess et al. 2006] foi desenvolvido na universidade de Massachusetts e define uma ordem de prioridade na fila dos pacotes. Os pacotes que precisam ser descartados e aqueles que precisam ser transmitidos são então classificados de acordo com essa prioridade. A prioridade dos pacotes é baseada na probabilidade de entrega ao nó de destino de acordo com dados históricos e outros mecanismos auxiliares, tais como uma lista de nós intermediários, notificações de recebimento e novos pacotes, que são priorizados em detrimento de pacotes mais antigos. Diversos métodos podem ser utilizados para definir essa prioridade, incluindo a taxa de sucesso na definição de um determinado caminho para um determinado nó ou a quantidade de tentativas bem sucedidas de entrega de mensagem de um determinado nó para outro. Essa técnica melhora, de maneira geral, a taxa de entrega de mensagens. 166

5 O protocolo Spray and Wait[Spyropoulos et al. 2005] combina a rapidez do roteamento Epidemic com a simplicidade da entrega direta. De forma a utilizar eficientemente os recursos da rede, este protocolo define um limite N, dado pelo parâmetro L de ajuste do protocolo, para o número de cópias de mensagens sendo replicadas na rede. O protocolo opera em duas fases distintas: a fase disseminar (spray) e a fase de espera (wait). Junto com cada mensagem é enviado um indicador do número máximo de cópias desta mensagem. Durante a fase disseminar, N cópias são disseminadas na rede de forma epidêmica e, quando um número suficiente de cópias foi disseminado para garantir que pelo menos um deles irá chegar ao destino, de forma rápida esta fase é encerrada. Os nós que tenham recebido uma cópia da mensagem a mantêm armazenada e passam para a fase de espera, na qual cada nó carregando uma cópia da mensagem irá tentar entregar a mensagem de forma direta. O protocolo Prophet[Lindgren et al. 2003] parte da premissa de que o encontro dos nós de uma rede raramente ocorre de forma totalmente aleatória. Operando de forma probabilística, este protocolo estima uma métrica chamada previsão de entrega. Essa métrica indica a probabilidade de sucesso em entregar uma mensagem a um determinado nó de destino a partir de um outro nó de origem. O protocolo Prophet trabalha de forma que, quando dois nós se encontram, eles trocam um vetor de informação contendo uma previsão probabilística de entrega. Teoricamente, se dois nós se encontram frequentemente eles têm alta probabilidade de entrega entre eles, entretanto, se um determinado par de nós não se encontram por um longo tempo, eles não são bons para encaminhar mensagem entre eles, ou seja, a probabilidade de entrega entre eles tende a ser menor. Ao apresentar um comportamento probabilístico de encontros entre nós encaminhando mensagens somente para os nós que têm mais probabilidade de encontrar com o nó de destino, este protocolo consegue diminuir a inundação de pacotes de mensagens na rede e, consequentemente, diminuir o consumo de recursos, como buffer de mensagens e banda. 4. Cenário Investigado e Obtenção de Dados Reais Em Janeiro de 2013, uma sobrecarga de chuvas causou enchentes e deslizamentos na região do distrito de Xerém, em Duque de Caxias (RJ). Após a relativa normalização do acesso a esta região, o local foi visitado com a finalidade de se obter dados realísticos para apoiar o estudo sobre o uso de VANTs numa DTN de apoio às atividades de busca e resgate realizadas neste cenário. A coleta de dados se deu a partir do sobrevoo de um VANT sobre um circuito definido com base nas áreas críticas apontadas pela defesa civil. Com base nesses dados, foi possivel elaborar o mapa da Figura 1, onde as linhas circulares cheias indicam as zonas de interesse e o local do centro de comando, enquanto a linha tracejada indica a região limítrofe usada na definição da trajetória do VANT. O traçado de voo envolve um cirtuito onde o VANT sai do centro de comando (CC), atinge os pontos de interesse na sequência A, B, C e D, e retorna diretamente para o CC, quando então o ciclo é reiniciado. A partir deste voo, foram obtidas as informações utilizadas na simulação. A peculiaridade deste cenário é que os pontos de interesse encontram-se distribuídos de forma tal que um VANT tem contato com cada ponto apenas uma vez durante o percurso do circuito. Devido a isto, equipes localizadas nestes pontos tendem a apresentar um tempo maior de desconexão com os VANTs, o que influencia diretamente 167

6 Figura 1. Cenário de Xerém. na conectividade e no desempenho da DTN a ser simulada. Durante o período do desastre, os pontos de interesse apresentaram acesso muito restrito, pois se tratavam de áreas que ficaram inundadas e sob forte correnteza. Assim sendo, as equipes e as vitimas encontraram-se ilhadas nestes pontos, necessitando do auxilio de botes para se locomoverem entre regiões. O acesso ao centro de comando também ficou difícil a partir destes pontos. As equipes de resgate que estiveram atendendo vitimas em cada um dos pontos de interesse tiveram sua mobilidade restrita a poucas ruas dentro dessas respectivas áreas. Os VANTs, portanto, teriam sido os únicos nós que conseguiriam atingir todos os pontos de interesse e o centro de comando, mesmo após a estiagem das chuvas fortes. Sobre cada ponto de interesse apontados no mapa, e também sobre o CC, o VANT usado para coleta de dados realizou três voltas de cerca de 50 metros de raio, dando assim tempo para que mensagens pudessem ser enviadas ou recebidas do VANT Protótipo de VANT utilizado Os VANTs do tipo asa voadora, ou Zagi, e os planadores, pelas suas características de grande autonomia, facilidade de manuseio e velocidade de voo, dentre outras, são os mais indicados para uso em cenários de desastre. Em especial, as asas voadoras, por não necessitarem de pista para sua decolagem e aterrissagem, tornam-se extremamente versáteis e práticas para serem utilizadas nestes ambientes. Por este motivo, fez-se uso deste tipo de VANT para a obtenção dos dados a serem inseridos no simulador. Foi montado um protótipo composto por uma asa Zagi contendo bússola digital, acelerômetros, controle de altitude, GPS e sistema de piloto automático. A Figura 2 mostra o protótipo desenvolvido. A asa foi idealizada tomando como referência o manual de construção de asas voadoras[nogueira 2008] e utilizou um perfil MH5, com comprimento total de 1,60 metros e chapas de madeira balsa, que é um tipo de madeira bastante resistente e extremamente leve. As superfícies de comando da asa têm sua atuação efetivada por dois servo-comandos, um em cada lado da asa, da marca Towerpro. Como propulsão foi utilizado um motor elétrico sem escovas da marca Turnigy de 750 KV. O revestimento foi realizado com fita de empacotamento comum nas cores preto, amarelo e branco. Este tipo de construção torna o VANT extremamente estável em voo, facilmente controlável e bastante resistente a impactos. Como sistema de pi- 168

7 loto automático, para permitir voos programados, foi utilizado o sistema de código aberto Ardupilot [Sivakumar and Tan 2010] em sua configuração básica, sem alterações em seu firmware. A energia necessária para o funcionamento de todo esse equipamento é fornecida por uma bateria de Lithium-Polímero de 2200 mah, que permite uma autonomia de voo de cerca de 30 minutos. Baterias de maior capacidade podem ser utilizadas para autonomias maiores, podendo ser conseguido tempos de voo de 2 horas ou mais. Este protótipo VANT foi concebido para suportar ventos fortes em regiões litorâneas e, impermeabilizando as partes eletrônicas, pode ser usado com chuvas. VANTs de asa rotativa são úteis p/restrição de mobilidade, mas os de asa fixa têm mais robustez e autonomia, e estabilizadores de imagem melhoram a qualidade do que é filmado. Este VANT pode atingir 1000 metros de altura, mas acima de 500 metros há perigo para a aviação civil. Vale notar que consideramos usar o VANT após estiagem ou redução da chuva, momento no qual se costumam iniciar as buscas. Figura 2. O Protótipo de VANT desenvolvido. As rotas de voo a serem realizadas pelo VANT são programadas através do aplicativo desenvolvido pela equipe de desenvolvimento do Ardupilot, rodando em um notebook convencional. A conexão entre o notebook e o sistema de piloto automático é realizada através de um link de telemetria composto de rádios Xbee, operando na faixa de 900MHz, e antenas omnidirecionais de 3 dbi o que, segundo o fabricante, garantem um alcance em campo aberto de cerca de 1,6 km. Esta distância é para leitura de telemetria e reprogramação em tempo real, porém o VANT realizará o percurso programado independente de alcance. 5. Etapa de Simulação Para simular o cenário pretendido, foi utilizado o simulador THE ONE [Keranen 2008]. Os mapas da região estudada foram importados para o simulador no formato WKT. Para cada elemento da simulação, ou seja, nós terrestres e nós VANT, foi necessária a criação de um mapa específico uma vez que cada um possui suas próprias caracteristicas de mobilidade. Os nós terrestres ficam agrupados em torno dos pontos de interesse, onde cada ponto de interesse apresenta limites de mobilidade correspondentes às estradas da região que estavam desobstruídas. Portanto, para cada ponto de interesse foi criado um mapa composto apenas por estas ruas e estradas. Os mapas criados para os VANTs definem o trajeto percorrido por eles, porém cada VANT tem sua própria posição inicial de voo. Para a geração desses mapas foi utilizado o sofware Openjump, que permite a importação 169

8 de mapas reais como camada de fundo, o que facilita a criação de mapas de mobilidade na ferramenta. Observou-se durante os testes de campo que a velocidade do VANT variou de 34 a 38 km/h. Nas simulações, os VANTs voam a uma velocidade constante de 36 km/h, que é a velocidade média mínima na qual um VANT real, do tipo que foi construído, consegue manter-se em voo constante sem que haja perda de altitude ou tempos de parada. O número de VANTs variou de zero, para que tivéssemos um controle de como a rede se comporta sem o auxílio dos nós móveis, até o valor de seis VANTs. A partir do momento que temos dois VANTs no cenário, estes partem de posições iniciais distintas, de maneira que um VANT esteja metade do percurso à frente do outro. Com três VANTs, o mesmo procedimento é adotado, porém dividindo-se o percurso total em três partes. Com quatro, cinco e seis VANTs a mesma lógica é estabelecida, porém estes novos VANTs realizarão o percurso no sentido inverso, o que propiciará conexões entre VANTs durante o voo. O deslocamento das equipes ocorre de forma aleatória ao longo das estradas e ruas, porém restrito aos caminhos possíveis dentro do ponto de interesse a que estão confinados. A velocidade média vai de 0,5 a 1,5 m/s, para simular as dificuldades encontradas no deslocamento das equipes. Foram incorporados também momentos aleatórios de parada com tempo variando de 30 a 360 segundos, simulando buscas mais minuciosas em determinado momento ou o efetivo resgate de algum sobrevivente. O número de nós representando as equipes ou pessoas nas zonas de interesse foi variado em 12, 20 e 32 nós, sendo que cada ponto de interesse possui um mesmo número de nós. O CC foi mantido numa mesma posição fixa em todas as rodadas de simulação realizadas. Com relação ao ambiente de rede sem fio, para todos os nós foram utilizados enlaces de rádio WiFi configurados para um alcance de 100 metros e capacidade de transmissão de 5 Mbps. As mensagens que circulam na rede foram geradas a intervalos de 30 segundos com tamanho fixo de 200 KB, o que pode representar uma troca de mensagens contendo arquivos de texto ou imagens. As mensagens podem ser geradas em qualquer nó com destino para qualquer outro nó, exceto os VANTs, os quais não geram nem recebem mensagens, apenas as encaminham. As mensagens geradas foram agrupadas da seguinte forma: (i) mensagens geradas de um nó qualquer com destino a outro nó qualquer, incluindo o centro de comando; (ii) mensagens geradas de um nó qualquer com destino a outro nó qualquer, exceto o centro de comando; e (iii) mensagens geradas de um nó qualquer exclusivamente com destino ao centro de comando. Como citado antes, os protocolos de roteamento DTN escolhidos para análise foram o Epidemic, o Prophet, o Spray and Wait e o Maxprop. No caso do Spray and Wait, o número de cópias usado foi 6, que é um valor padrão. Estes protocolos foram escolhidos por serem os mais populares dentre aqueles que priorizam rapidez na entrega de mensagens. Foram efetuadas 10 rodadas de simulação para cada protocolo em cada cenário de simulação, com tempo simulado de 7200 segundos para cada rodada, o que representa a autonomia de voo do VANT. Para cada caso, foram coletadas as seguintes medidas: atraso médio para entrega das mensagens, fração de mensagens entregues e overhead do número de mensagens. O intervalo de confiança adotado foi de 95%, obtido a partir da tabela de referência t-student, considerando 10 rodadas. 170

9 O atraso médio para entrega corresponde à média dos tempos de entrega de todas as mensagens que tenham chegado a seu destino. A fração de mensagens entregues corresponde à razão entre o total de mensagens entregues e o total de mensagens geradas. Já o overhead do número de mensagens corresponde ao número adicional de mensagens geradas por mensagem entregue. Seja T MT o total de mensagens transmitidas e T ME o total de mensagens entregues, o overhead é calculado por T MT T ME T ME. É interessante notar que, em um cenário de emergência, o overhead de mensagens, ou seja, a quantidade de cópias de mensagens geradas numa DTN, pode ser considerada uma métrica de menor importância uma vez que é mais urgente que as mensagens sejam entregues em seus destinos no menor tempo possível. Entretanto, para entender o desempenho geral dos protocolos nos cenários simulados, o overhead foi também analisado. Os buffers dos nós foram superdimensionados de forma a evitar a perda de mensagens, pois entende-se que isto seria inadequado num cenário de emergência. 6. Resultados Obtidos Figura 3. Fração de mensagens entregues. (a) (b) (c) A Figura 3 apresenta a fração de mensagens entregues no cenário com 20 nós terrestres para cada agrupamento de mensagens: (a) mensagens entre todos os nós, inclusive CC; (b) mensagens entre todos os nós, menos CC; e (c) mensagens entre os nós e o CC. Como podemos observar, a fração de mensagens entregues na rede, para a maioria dos protocolos, tende a 100% desde que haja pelo menos um VANT circulando. Esse resultado pode ser explicado pela forma cíclica com que os VANTs percorrem a região e pelo tamanho do buffer utilizado nos nós, tendendo a infinito. Os resultados referentes a cada protocolo apresentam muito pouca ou nenhuma variação entre si, independente do número de nós, excetuando o caso do protocolo spray and wait. Para este protocolo, a fração de entrega tende a um valor mais baixo, em torno de 95%. Este comportamento pode ser explicado pela forma com que o protocolo trabalha. Com o objetivo de diminuir o overhead na rede, o Spray and Wait limita o número máximo de cópias de uma mesma mensagem na rede. Uma vez que a escolha dos nós que receberão essas cópias não considera a existência de VANTs, é possível que algumas mensagens não consigam ser entregues a um VANT. No caso de quando as mensagens são geradas tendo o CC exclusivamente como origem ou destino, verifica-se que a fração de pacotes entregues é zero quando não há VANTs circulando, uma vez que somente os VANTs conseguem alcançar o CC (Figura 3). 171

10 Os resultados para a fração de mensagens entregues nos cenários com 12 e 32 foram muito similares ao do cenário com 20 nós e tiveram seus gráficos omitidos para poupar espaço. Figura 4. Atraso médio para entrega de mensagens entre todos os nós. (a) (b) (c) Figura 5. Atraso médio para entrega de mensagens entre todos os nós, exceto CC. (a) (b) (c) Figura 6. Atraso médio para entrega de mensagens entre CC e qualquer outro nó. (a) (b) (c) As Figuras 4, 5 e 6 apresentam o atraso médio na entrega de mensagens respectivamente para os casos de mensagens entre todos os nós, mensagens entre todos os nós exceto o CC, e mensagens entre o CC e demais nós. Para cada caso, são mostrados os cenários com 12, 20 e 32 nós terrestres. De uma forma geral, é possível verificar uma redução do atraso a medida que aumenta o número de VANTs, sendo que esta redução fica percentualmente menor quanto maior o número de VANTs, sugerindo que ela tenderá a um valor limite. No caso de zero VANTs, este valor destoa da tendência encontrada no restante da curva, sendo valores menores quanto maior o número de nós terrestres. Isto se explica pelo fato da medida considerar apenas as mensagens entregues, incluindo aquelas 172

11 entregues entre os nós terrestres em um mesmo ponto de interesse, caso onde o atraso se torna bem pequeno. Quanto o maior o número de nós terrestres, maior a quantidade de mensagens entregues nestes pontos de interesse. No caso da Figura 6, com zero VANTs não há mensagem entregue, portanto não há valor associado a este número. Com relação ao comportamento por protocolo, o atraso médio do Prophet e do Spray and Wait são os maiores, com resultado pior no caso do Spray and Wait devido aos mesmos motivos anteriormente expostos, ou seja, uma vez que existem menos nós capazes de realizar a entrega de determinada mensagem, um tempo maior na entrega é esperado. Mesmo no caso da Figura 6, que considera apenas mensagens entre o CC e demais nós, o Spray and Wait teve um atraso médio um pouco maior, enquanto que todos os demais tiveram resultados muito próximos, inclusive o Prophet. No caso do Prophet, este protocolo possui uma métrica que calcula a probabilidade do encontro entre dois nós e, como os VANTs são os únicos que se encontram constantemente com o centro de comando, esses passam a ser os nós preferidos para encaminhar mensagens ao CC. Tanto o protocolo Maxprop quanto o Epidemic apresentaram os menores atrasos médios em todos os casos. Uma vez que esses protocolos trabalham disseminando mensagens para quantos nós forem possiveis, essa baixa latência é esperada. Figura 7. Overhead de mensagens entre todos os nós. (a) (b) (c) Figura 8. Overhead de mensagens entre todos os nós, exceto CC. (a) (b) (c) As Figuras 7, 9 e 8 apresentam o overhead médio de mensagens respectivamente para os casos de mensagens entre todos os nós, mensagens entre todos os nós exceto o CC, e mensagens entre o CC e demais nós. Assim como antes, para cada caso, são mostrados os cenários com 12, 20 e 32 nós terrestres. É possível verificar que o Spray and Wait teve o menor valor em todos os casos, o que era de se esperar devido a seu mecanismo de 173

12 Figura 9. Overhead de mensagens entre CC e demais nós. (a) (b) (c) controle de mensagens na rede. Entretanto, deve-se recordar que a fração de mensagens entregues e o atraso médio ficam comprometidos por conta deste mecanismo. Em situação oposta, o protocolo Maxprop apresentou os maiores valores de overhead, crescendo substancialmente com o aumento do número de nós terrestres. Isto ocorre porque este protocolo gera uma certa quantidade de mensagens de controle juntamente com a mensagem que está tentando entregar, o que torna seu overhead maior que o do próprio Epidemic. Os protocolos Epidemic e Prophet têm resultados semelhantes, com o Epidemic apresentando valores de overhead levemente maiores que os do Prophet. Entretanto, pode-se verificar que o overhead do Prophet cresce mais acentuadamente conforme aumenta o número de VANTs, se comparado com o Epidemic. Tabela 1. Tabela comparativa de resultado dos protocolos. 1: Pior caso, 2: Intermediário, Fração de mensa- Overhead Atraso Total 3: Melhor caso gens entregues médio Epidemic Maxprop Prophet Spray and Wait A Tabela 1 apresenta um sumário dos resultados de cada métrica para cada protocolo. De maneira a auxiliar na comparação, foi atribuída uma pontuação de 1, 2 e 3 para os casos onde a métrica associada a determinado protocolo apresenta o pior desempenho, um desempenho intermediário ou o melhor desempenho, respectivamente. Somando-se todos os pontos, espera-se visualizar qual protocolo apresentou o melhor desempenho no aspecto geral. Podemos observar que o protocolo Epidemic apresentou os melhores resultados para o cenário aqui analisado, seguido de perto pelo protocolo Maxprop que recebeu uma pontuação pior devido ao seu overhead. Desconsiderando-se esta métrica, que pode ter pouca relevância no contexto de cenários de emergência, ambos têm desempenho equivalente. Outra observação relevante é quanto ao número de VANTs e sua relação com a melhora do desempenho na entrega de mensagens para o cenário estudado. Pelos resultados apresentados, fica claro que a métrica mais determinante para esta análise é o atraso médio, já que a fração de mensagens entregues é praticamente 100% para quase todos 174

13 os casos, uma vez que se tenha ao menos um VANT circulando, e que o overhead variou pouco com o aumento do número de VANTs no caso do Epidemic. Sendo assim, é possível verificar que, no caso do Epidemic, a partir do uso de dois VANTs a redução do atraso passa a ser muito pequena, o que também é verificado nos demais protocolos. Conclui-se portanto que, para o cenário estudado, bastam dois VANTs para se obter um desempenho relativamente próximo do ótimo na entrega de mensagens pela DTN. 7. Conclusão Os cenários de desastre podem apresentar características que dificultam o uso de tecnologias tradicionais de comunicação pelas equipes de resgate. Além disso, dependendo do cenário, a mobilidade das equipes também pode ficar comprometida, a ponto de não ser possível a locomoção dessas equipes até o centro de comando. Neste contexto, o uso de VANTS se apresenta como uma opção vantajosa para cenários de emergência, podendo servir como nós móveis na composição de uma DTN para apoio na comunicação com as equipes de resgate. Este trabalho analisou o desempenho de uma rede DTN formada por nós móveis, dentre os quais VANTs, para uso em cenários de emergência. As simulações realizadas se basearam em dados realistas coletados a partir de um protótipo de VANT que sobrevoou as áreas críticas que foram afetadas por uma enchente ocorrida em Janeiro de 2013 no distrito de Xerém, em Duque de Caxias (RJ). Foram comparados quatro conhecidos protocolos de roteamento DTN segundo as métricas de fração de entrega de mensagens, atraso médio da entrega e overhead de mensagens. Constatou-se que o protocolo Epidemic se apresentou como melhor opção e que bastam dois VANTs circulando para se obter um desempenho próximo do ótimo no cenário estudado. Como trabalho futuro, pretende-se utilizar os conhecimentos adquiridos no desenvolvimento de um protocolo de roteamento DTN usando nós móveis que seja otimizado para cenários de emergência, privilegiando os VANTs como nós de encaminhamento de mensagens. Além disso, outros tipos de VANTs deverão ser experimentados de forma conjunta, como por exemplo, balões. Referências Braunstein, B., Trimble, T., Mishra, R., Manoj, B., Lenert, L., and Rao, R. (2006). Challenges in using distributed wireless mesh networks in emergency response. In Proceedings of the 3rd International ISCRAM Conference, pages Burgess, J., Gallagher, B., Jensen, D., and Levine, B. N. (2006). Maxprop: Routing for vehicle-based disruption-tolerant networks. In Proc. ieee infocom, volume 6, pages Barcelona, Spain. Dilmaghani, R. B. and Rao, R. R. (2008). A wireless mesh infrastructure deployment with application for emergency scenarios. In 5th International ISCRAM Conference. EM-DAT (2012). International disaster database. Acessado em: 14 dez Fall, K., Iannaccone, G., Kannan, J., Silveira, F., and Taft, N. (2010). A disruption-tolerant architecture for secure and efficient disaster response communications. Proceedings of ISCRAM. 175

14 Gelenbe, E. and Gorbil, G. (2012). Wireless networks in emergency management. In Proceedings of the first ACM international workshop on Practical issues and applications in next generation wireless networks, pages 1 6. ACM. Jiang, P., Bigham, J., and Bodanese, E. (2011). Adaptive service provisioning for emergency communications with dtn. In Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2011 IEEE, pages IEEE. Keranen, A. (2008). Opportunistic network environment simulator. Special Assignment report, Helsinki University of Technology, Department of Communications and Networking. Lindgren, A., Doria, A., and Schelen, O. (2003). Probabilistic routing in intermittently connected networks. ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 7(3): Martin Campillo, A., Crowcroft, J., Yoneki, E., and Marti, R. (2012). Evaluating opportunistic networks in disaster scenarios. Journal of Network and Computer Applications. Mota, V. F., Silva, T. H., and Nogueira, J. M. S. (2009). Introduzindo tolerância a interrupção em redes ad hoc móveis para cenários de emergência. Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores e Sistemas Distribuidos (SBRC), Recife, PE, Brasil. Nogueira, R. (2008). Manual básico para construção de zagis (asas voadoras). Acessado em: 14 dez Sarris, Zak, S. (2001). Survey of uav applications in civil markets (june 2001). In The 9 th IEEE Mediterranean Conference on Control and Automation (MED 01). Sivakumar, A. and Tan, C. K.-Y. (2010). Uav swarm coordination using cooperative control for establishing a wireless communications backbone. In Proceedings of the 9th International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems: volume 3-Volume 3, pages International Foundation for Autonomous Agents and Multiagent Systems. Spyropoulos, T., Psounis, K., and Raghavendra, C. S. (2005). Spray and wait: an efficient routing scheme for intermittently connected mobile networks. In Proceedings of the 2005 ACM SIGCOMM workshop on Delay-tolerant networking, pages ACM. Vahdat, A. and Becker, D. (2000). Epidemic routing for partially-connected ad hoc networks. Technical Report CS , Duke University. Venkataraman, V., Acharya, H. B., Shah, H., and Lam, S. (2009). Delay tolerant networking-a tutorial. Department of Computer Science, The University of Texas. Warthman, F. (2003). Delay tolerant networks (dtns): A tutorial, dtn research group. Technical report, Internet Draft. Yarali, A., Ahsant, B., and Rahman, S. (2009). Wireless mesh networking: A key solution for emergency and rural applications. In Advances in Mesh Networks, MESH Second International Conference on, pages IEEE. 176