Impact of p Channel Hopping on VANET Communication Protocols

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1 Impact of p Channel Hopping on VANET Communication Protocols E. A. Donato, G. Maia, E. R. M. Madeira and L. A. Villas Abstract Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs) are a specific type of moving networks in which the nodes are vehicles with processing, storage and wireless communication capacity. The Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) presents an architecture, based on a division into multiple channels with each channel set certain types of application and that uses a switching mechanism for the selection of channels, since only one channel is active at a given time. However, in certain scenarios, this channel switching mechanism approach used in WAVE introduces an undesirable effect that allows different vehicles to transmit simultaneously, resulting in collisions. In this work, we propose a solution to this problem, with the development of a mechanism based on recalculation of transmission delay to ensure greater performance in transmissions. The mechanism proposed, named as Desync, was evaluated in two different data dissemination protocols, ABSM and AID. The simulation results show that the Desync is effective in reducing collisions and maximizing the delivery rate. Keywords Vehicular Ad Hoc Network, WAVE, p, Access Category, Synchronization. E I. INTRODUÇÃO m Redes Veiculares (Veicular Ad-Hoc Networks-VANETs), os veículos são equipados com sensores embarcados, unidades de processamento e interfaces de comunicação sem fio para a comunicação com outros veículos e com os roadside units (RSU), permitindo, assim, a criação de uma rede espontânea enquanto os veículos locomovem-se em ruas, estradas e rodovias [1] [2]. Nos últimos anos, as VANETs estão ganhando considerável atenção por parte da indústria, do mundo acadêmico e dos governos do mundo inteiro devido a sua aplicabilidade promissora. Consideráveis recursos estão sendo dedicados para o desenvolvimento e implantação de redes veiculares no intuito de garantir uma sólida infraestrutura em um sistema de transporte mais seguro. Este novo paradigma, que permite que as informações sejam compartilhadas entre veículos, vai permitir uma ampla gama de aplicações de segurança, de assistência ao condutor, sensoriamento urbano, eficiência do tráfego, informação e entreterimento entre outras que serão incorporadas em projetos de veículos modernos. Para um melhor aproveitamento das redes veiculares, foi atribuído um espaço no espectro eletromagnético [3] para a comunicação entre veículos. Além disso, estes estão sendo equipados com rádios de comunicação sem fio que implementam o novo padrão de comunicação Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) [4]. A arquitetura do padrão WAVE é baseada em múltiplos canais, seis canais de serviços e um canal de controle. Essa arquitetura proporciona um tratamento diferenciado aos diversos tipos de aplicação. Estas aplicações vão desde aplicações críticas em termos de requisitos de segurança e tolerância ao atraso, a aplicações menos exigentes nestes contextos, levando em consideração as características específicas das redes veiculares [5] [6]. Além disso, um mecanismo de salto de canais deve ser utilizado, pois o padrão WAVE não exige que múltiplas antenas sejam utilizadas. Com isso, a multiplexação por divisão de tempo é aplicada nessa abordagem. Porém, a aplicação desse mecanismo de salto de canais leva a um efeito indesejado de ressincronização em protocolos para realizar a disseminação de dados. Diferentemente de trabalhos que propõem um esquema de sincronização para a entrega de pacotes, como em [7], este trabalho propõe um mecanismo, nomeado como Desync, para evitar o efeito indesejado introduzido pela ressincronização da camada MAC do padrão WAVE. O Desync pode ser facilmente acoplado em qualquer protocolo para realizar a disseminação de dados em redes veiculares. Desta forma, tais soluções tornam-se cientes do mecanismo de salto de canais empregado pelo padrão WAVE. O principal benefício em se utilizar o mecanismo Desync em um protocolo de comunicação é a diminuição da quantidade de colisões de pacotes de dados, consequentemente, aumentando a taxa de entrega dos pacotes. O restante deste trabalho está organizado da seguinte forma. A Seção 2 descreve o padrão de comunicação em redes veiculares. A Seção 3 apresenta os protocolos para realizar a disseminação de dados em redes veiculares avaliados neste trabalho. A Seção 4 apresenta uma análise do impacto do padrão p nos protocolos de disseminação de dados. O mecanismo proposto é apresentado na Seção 5. A Seção 6 apresenta a avaliação de desempenho do Desync e por fim, a Seção 7 apresenta as conclusões e trabalhos futuros. II. PADRÃO DE COMUNICAÇÃO EM REDES MÓVEIS Baseado no padrão IEEE p [4], o Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) define uma arquitetura de comunicação especifica para as redes veiculares. O WAVE foca nas camadas mais baixas da pilha de protocolos e apresenta uma definição das camadas físicas e de acesso ao meio (MAC) fortemente baseada nos padrões anteriores de redes sem fio [8, 9]. O padrão IEEE define a operação do WAVE com base em múltiplos canais e diferencia os canais em termos das características das aplicações que cada canal suporta. Neste padrão, o canal de controle (CCH) e os seis canais de serviço (SCH) são utilizados com base em multiplexação por divisão de tempo. O canal de controle é servido em intervalos de tempo alternados, enquanto que os intervalos restantes de tempo são distribuídos entre os canais de serviço de acordo com as necessidades das aplicações alocadas a cada canal.

2 Devido à baixa tolerância ao atraso de algumas aplicações, por exemplo, as aplicações para evitar colisões, o período máximo de multiplexação foi estabelecido em 100 milissegundos. Adicionalmente ao esquema de funcionamento de múltiplos canais, um esquema de prioridades semelhante ao implementado pelo padrão IEEE e, conhecido como EDCA, também é implementado na camada MAC do WAVE. Para cada canal, existem quatro categorias de acesso denotadas por AC0, AC1, AC2 e AC3. O menor nível de prioridade corresponde ao AC0 e o maior ao AC3 [9]. Os pacotes de dados, pertencentes a diferentes categorias de acesso, são colocados em filas de espera a partir dos quais são servidos de acordo com um mecanismo de seleção interno. As configurações dos tempos de espera das filas variam segundo a categoria de acesso de cada canal. Durante a fase de seleção de pacotes para transmissão, as quatro categorias de acesso competem internamente e então, o pacote selecionado compete externamente pelo canal com os pacotes de outros veículos que estejam dentro do raio de comunicação. Ao serem selecionados, os pacotes são então submetidos ao mecanismo normalmente utilizado pelo CSMA/CA para a transmissão de dados. A camada física do padrão IEEE p utiliza a multiplexação por divisão ortogonal de Frequência (OFDM) e é similar ao padrão a. As diferenças entre esses dois padrões residem no fato de a largura de banda no p ser de 10MHz em vez de 20MHz e em algumas mudanças nas potências de transmissão e nas frequências de operação. III. PROTOCOLO DE DISSEMINAÇÃO DE DADOS Muitos protocolos para realizar a disseminação de dados em redes veiculares foram propostos. As soluções mais recentes para disseminação de dados focam principalmente na escolha de quais veículos devem repassar os pacotes de dados de forma a garantir uma alta taxa de entrega de dados, baixa redundância nas transmissões e consequentemente, um baixo número de colisões [10, 11]. Para isso, tais protocolos calculam tempos de espera para a transmissão de pacotes de forma a dessincronizar as transmissões entre veículos vizinhos. Assim, veículos com tempos de espera menores transmitem primeiro, suprimindo as transmissões dos demais veículos na vizinhança. As formas com que os tempos de espera são calculados podem ser baseadas em métodos estatísticos, topologia local, distância entre veículos, etc. A seguir, apresenta-se dois protocolos que utilizam diferentes abordagens e que foram avaliados neste trabalho. Acknowledged Broadcast from Static to highly Mobile (ABSM) [11] é um protocolo que utiliza o conceito de conjunto dominante mínimo (MCDS). O ABSM baseia-se no fato de que o MCDS provê a melhor solução para o problema de disseminação de dados broadcast em uma rede conectada. O MCDS é o menor subconjunto de veículos conectados em que, se um veículo não estiver no MCDS, então ele está diretamente conectado a algum veículo que está no MCDS. Portanto, se todos os veículos no MCDS retransmitirem a mensagem, então todos os veículos na rede serão cobertos. No entanto, calcular o MCDS é um problem NP-difícil. Logo, o ABSM emprega uma heurística que utiliza informações de vizinhos de um salto para determinar quais veículos estão no MCDS. Veículos no MCDS possuem maior prioridade para retransmitir as mensagens. Além disso, ABSM utiliza beacons periódicos como um mecanismo de reconhecimento implícito de recebimento das mensagens disseminadas, de maneira a garantir a entrega de dados em redes intermitentemente conectadas. Logo, no ABSM, quando um veículo recebe uma mensagem, ele espera pelo reconhecimento implícito dos vizinhos para então calcular o atraso para retransmitir a mensagem. Logo, a latência na entrega de mensagens depende da frequência com que os beacons são enviados. Adaptive approach for Information Dissemination (AID) [10] é um protocolo baseado em método estatístico para realizar a disseminação de dados. No AID o veículo decide se deve ou não transmitir um pacote, dependendo do número de vezes que ele recebe o mesmo pacote de dados em um determinado período de tempo. Em redes densas, por exemplo, vários veículos podem decidir descartar um pacote, uma vez que ele já foi encaminhado por diversos veículos vizinhos, e isto reduz o problema da tempestade de broadcast. No entanto, o protocolo AID não trata o problema de partições na rede e apresenta baixo desempenho para disseminar dados em redes esparsas. IV. IMPACTO DO PADRÃO IEEE P NOS PROTOCOLOS DE DISSEMINAÇÃO DE DADOS Apesar dos protocolos de disseminação dessincronizarem as transmissões dos veículos em uma dada vizinhança, o mecanismo de salto de canais empregado pelo WAVE introduz um efeito indesejável de ressincronização nas transmissões. No padrão de comunicação WAVE, a cada Tc segundos é permitido ao rádio saltar do CCH para o SCH e então, após mais Tc segundos, saltar do SCH para o CCH, e assim por diante. O padrão estabelece Tc = 50 ms. Diante disso, quando a camada MAC recebe da camada de rede uma mensagem para ser transmitida no SCH, mas o CCH está momentaneamente ativo, então a mensagem deve aguardar o SCH se tornar ativo para que a transmissão possa ocorrer. No começo da operação de cada canal existe um intervalo de 5 ms chamado guard interval em que o canal é tratado como ocupado. Além disso, assume-se que os beacons periódicos, normalmente utilizados pelas aplicações de segurança, utilizam o CCH, enquanto as demais aplicações utilizam o SCH. Toda mensagem repassada para a camada MAC deve especificar em qual canal ela deve ser transmitida. Essa abordagem de salto de canais introduz um efeito de sincronização indesejado. Considere o exemplo mostrado na Fig. 1. Nessa figura, há dois veículos tentando retransmitir uma mensagem que eles receberam de um vizinho em comum. No tempo T1, ambos os veículos agendam o repasse da mensagem para a camada MAC. Perceba que, o veículo A calcula e agenda o repasse com um atraso de 10 ms, enquanto B calcula e agenda o repasse com um atraso de 25 ms. Sem o mecanismo de salto de canais, A iria transmitir primeiro, B iria escutar a transmissão de A e, consequentemente, iria

3 cancelar sua própria transmissão, evitando assim uma transmissão desnecessária. No entanto, não é o que ocorre quando a abordagem de salto de canais é empregada. No tempo T2, ou seja, 10 ms depois de T1, o temporizador rebroadcast_timer em A expira e ele repassa a mensagem para a camada MAC para transmissão no SCH. Porém, perceba que o CCH está momentaneamente ativo. Logo, a camada MAC do veículo A armazena a mensagem até que o SCH fique ativo. No tempo T3, ou seja, 25 ms depois de T1, é o momento em que o temporizador rebroadcast_timer em B expira e então a mensagem é repassada para a camada MAC, também para transmissão no SCH. Assim como em A, a camada MAC do veículo B também armazena a mensagem, já que o CCH está momentaneamente ativo. Finalmente, no tempo T4, quando o SCH se torna ativo, a camada MAC de ambos os veículos escuta e percebe o canal como não ocupado. Assim, os veículos transmitem a mensagem ao mesmo tempo, resultando em uma colisão. Perceba que, apesar do fato do algoritmo de supressão de broadcast ter realizado seu devido trabalho em calcular valores diferentes para o atraso de retransmissão para os veículos (dessincronização), ao final, as retransmissões ocorreram ao mesmo tempo (ressincronização). Diante disso, argumentamos que a utilização apenas de mecanismos de supressão de broadcast não é suficiente para evitar o problema da tempestade de broadcast em redes densas, especialmente na transmissão de dados em rajadas [12]. AC0 que sofre um atraso exponencial com o crescimento da densidade da rede [8]. V. SOLUÇÃO PROPOSTA De forma a evitar o problema supracitado, propõe-se um mecanismo nomeado como Desync que recebe o atraso para retransmitir T calculado por qualquer protocolo de dissminação de dados e, caso necessário, recalcula um novo atraso para retransmitir Td de acordo com o regime de salto de canais. O Desync é apresentado no Algoritmo 1. Assume-se que o novo atraso Td, calculado pelo Desync, é para uma mensagem a ser transmitida no SCH. No entanto, o algoritmo pode ser facilmente estendido de forma a calcular o atraso para mensagens a serem transmitidas no CCH. O Desync pode ser acoplado em qualquer protocolo de disseminação de dados. Nos protocolos para realizar a disseminação de dados em redes veiculares propostos na literatura e avaliados neste trabalho, um dado veículo, após calcular o atraso T para retransmitir uma mensagem m (ou seja, atraso para repassar a mensagem para a camada MAC para que ocorra a transmissão), chama a função desynchronize (Veja o Algoritmo 1), a qual retorna um novo valor para o atraso (Td). Figura 1. Efeito da sincronização. Além do efeito de sincronização indesejado introduzido, outro fator importante é a forma como as categorias de acesso influenciam no desempenho dos protocolos. À medida que a carga da rede aumenta, as categorias de acesso com menor prioridade, AC0 e AC1, conseguem um menor acesso ao meio e, portanto, há uma diminuição da taxa de pacotes enviados a partir destas categorias de acesso [8]. Outro parâmetro importante que ilustra o impacto das categorias de acesso no desempenho é o atraso fim-a-fim, onde, à medida que a densidade da rede aumenta, as categorias de menor prioridade apresentam um maior crescimento no atraso, especiamente a Algoritmo 1. Algoritmo Desync. A ideia geral do Algoritmo 1 é adicionar ao atraso original T para retransmitir uma mensagem m, um atraso extra Ta. Tal atraso extra Ta é a quantidade de tempo em que m iria perceber o CCH como ativo caso m fosse imediatamente repassada para a camada MAC e esta tivesse que esperar T segundos antes de tentar transmitir m no SCH. Por exemplo, na Fig. 2, um veículo recebe a mensagem m no tempo T1. O protocolo utilizado para realizar a disseminação de dados calcula um atraso T = 60 ms para retransmitir a mensagem m. Perceba que no tempo T1, o CCH está momentaneamente ativo e assim permanecerá por mais Ts = 5 ms.

4 Neste exemplo, o Algoritmo 1 calcula Ta = 55 ms, pois se a camada de rede enviar m para a camada MAC no tempo T1 e a camada MAC esperar T = 60 ms antes de tentar transmitir m no SCH, então m irá perceber o CCH como ativo por 55 ms. Perceba que se a camada de rede não utilizar o mecanismo de dessincronização proposto, então ela agenda a retransmissão de m com um atraso T. Logo, no tempo T2, ela envia m para a camada MAC para transmissão no SCH. No entanto, a transmissão não pode ocorrer prontamente, pois o CCH está ativo, o que pode levar a uma ressincronização, conforme mostrado anteriormente. Por outro lado, se a camada de rede utilizar o mecanismo de dessincronização proposto, então ela agenda a retransmissão de m com um atraso Td = T +Ta. Assim, no tempo T3, a camada de rede repassa m para a camada MAC e esta pode imediatamente efetuar a transmissão, já que o SCH está momentaneamente ativo. De fato, a utilização do atraso para retransmitir Td = T + Ta garante que quando a camada de rede repassa m para a camada MAC, então o SCH sempre estará ativo, consequentemente evitando o efeito de ressincronização do atraso. Em resumo, utilizar o Algoritmo 1 produz exatamente o mesmo resultado que utilizar o atraso T e um relógio que funciona somente quando o SCH está ativo, ou seja, o tempo avança somente quando SCH está ativo. VI. AVALIAÇÃO DE DESEMPENHO Nesta seção, apresentamos a avaliação de desempenho do mecanismo Desync. Para isso, foi feita uma série de simulações usando o simulador OMNeT [13], onde avaliamos a performance do Desync em dois protocolos de disseminação de dados: ABSM [11] e AID [10]. A. Metodologia O Desync foi implementado em dois protocolos para disseminação de dados, sendo eles ABSM [11] e AID [10]. Os protocolos com o mecanismo Desync são nomeados como ABSM-Desync e AID-Desync. Avaliamos o desempenho dos protocolos utilizando o cenário em grid Manhattan. Para simular a mobilidade de veículos utilizamos o SUMO mobility simulator [14]. Um veículo situado, aproximadamente, no centro do cenário gera 100 mensagens de 1024 bytes, que são disseminadas para todos veículos utilizando uma taxa de 1 Mbit/s. Além disso, usamos o Veins 2.1 [15] para modelar a Figura 2. Exemplo do funcionamento do mecanismo Desync. rede. Como parâmetros, configuramos a potência de transmissão em 0.98mW, resultando num alcance de transmissão de aproximadamente 200 metros. Além disso, os resultados representam a média de 33 execuções para cada cenário com um intervalo de confiança de 95%. B. Métricas As métricas utilizadas neste trabalho são: Taxa de entrega: porcentagem de mensagens de dados geradas pelo veículo fonte que é recebida pelos veículos na rede. A expectativa é que o protocolo de disseminação consiga entregar 100% das mensagens disseminadas. Atraso: tempo médio gasto para a mensagem de dados viajar do veículo fonte para todos os outros veículos. Colisões: média do número de colisões por veículo para disseminar todas as mensagens de dados. O alto número de colisões indica que um dado protocolo não é capaz de evitar o problema de broadcast storm. C. Cenário O cenário utilizado foi o grid Manhattan. Este cenário é composto por dez ruas de pista dupla, uniformemente espaçadas, nos sentidos vertical e horizontal, numa área de 1 km 2. Neste ambiente, foi avaliado o desempenho dos protocolos nas diferentes categorias de acesso na camada MAC do padrão WAVE. Como citado na Seção 2, os possíveis valores são: 0, 1, 2 e 3. A Tabela I mostra os parâmetros de simulação específicos usados. TABELA I PARAMETROS DE SIMULAÇÃO PARÂMETROS VALORES CATEGORIA DE ACESSO 0, 1, 2 E 3 TAXA DE TRANSMISSÃO 1 MBIT/S DENSIDADE 400 VEÍCULOS /KM 2 TAMANHO DA MENSAGEM 1024 BYTES NÚMERO DE MENSAGENS PRODUZIDAS 100 D. Resultados de Simulação para o protocolo ABSM Fig. 3, Fig. 4 e Fig. 5 ilustram o comportamento do protocolo ABSM em dois modos, com e sem a utilização do mecanismo Desync, respectivamente, ABSM-Desync e ABSM. A Fig. 3 mostra o número de colisões por veículo para o protocolo ABSM, variando a categoria de acesso. Resultados

5 de simulação mostram que o ABSM-Desync apresenta menor número de colisões. Na média, o ABSM apresenta 8.5 colisões por veículo, enquanto que o ABSM-Desync obteve 4.2 colisões por veículo, ou seja, uma redução de aproximadamente 51% de colisões. Isso mostra quanto o mecanismo proposto Desync pode melhorar a comunicação reduzindo o número de colisões. Figura 5. Atraso no protocolo ABSM. Figura 3. Colisões no protocolo ABSM. A Fig. 4 mostra a taxa de entrega de pacotes para o ABSM, variando a categoria de acesso. O ABSM-Desync apresenta maior taxa de entrega em relação ao protocolo original. O ABSM-Desync apresenta melhora média de 2%. Esses números são esperados devido a redução de colisões ao utilizar o mecanismo Desync (veja a Fig. 3). E. Resultados de Simulação para o protocolo AID Fig. 6, Fig. 7 e Fig. 8 ilustram o comportamento do protocolo AID em dois modos, com e sem a utilização do mecanismo Desync, respectivamente, AID-Desync e AID. A Fig. 6 mostra o número de colisões por veículo ocorridas para o protocolo AID, variando a categoria de acesso. Resultados de simulação mostram que, na média, o AID tem 19.2 colisões por veículo, enquanto que o AID-Desync obteve 4.9 colisões por veículo, ou seja, uma redução de aproximadamente 75% de colisões. Como no ABSM, isso ilustra quanto o mecanismo proposto Desync pode melhorar os protocolos avaliados reduzindo de forma significativa o número de colisões. Figura 4. Taxa de entrega no protocolo ABSM. A Fig. 5 mostra que o protocolo que faz uso do mecanismo proposto Desync apresenta um maior atraso. Isso é esperado e é devido à ação de recalcular o tempo de espera para minimizar as colisões. Em outras palavras, a extensão da espera para a liberação da mensagem na camada MAC do WAVE, calculado no Algoritmo 1, causa um aumento no atraso para disseminar as mensagens. Mas esse atraso é um atraso aceitável para a maioria das aplicações para VANETs. Figura 6. Colisões no protocolo AID. A Fig. 7 mostra a taxa de entrega de pacotes para o protocolo AID, variando a categoria de acesso. O AID-Desync apresenta um aumento na taxa de entrega de 11.2%. Esses números são esperados devido à redução de colisões ao utilizar o mecanismo Desync (Veja a Fig. 6).

6 Figura 7. Taxa de entrega no protocolo AID. Como esperado, o protocolo que faz uso do mecanismo Desync apresenta um maior atraso. No entando, esse atraso é um atraso aceitável para a maioria das aplicações para VANETs. Figura 8. Atraso no protocolo AID. VII. CONCLUSÃO Neste trabalho foi proposto o Desync, um mecanismo de dessincronização na camada MAC do padrão IEEE p/WAVE. Foram utilizados dois protocolos ABSM e AID para avaliar o desempenho do Desync. Os resultados das simulações mostram que os protocolos que utilizam o Desync reduzem de forma significativa o número de colisões e aumentam a taxa de entrega. Como trabalhos futuros, pretendemos avaliar o Desync em outros protocolos de disseminação de dados. Além disso, pretendemos melhorar o mecanismo afim de reduzir o atraso introduzido pela sua utilização. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) por meio do processo nº / e a Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro. REFERÊNCIAS [1] Villas, L. A., Boukerche, A., Maia, G., Pazzi, R. W., and Loureiro, A. A. (2014). Drive: An efficient and robust data dissemination protocol for highway and urban vehicular ad hoc networks. Computer Networks, 75, Part A (0): [2] Abumansoor O., Boukerche A.(2012). A secure cooperative approach for nonline-of-sight location verification in VANET. Vehicular Technology, IEEE Transactions on 61 (1), [3] Hartenstein, H. and Laberteaux, K. P. (2008). A tutorial survey on vehicular ad hoc networks. IEEE Communications Magazine, 46(6): [4] IEEE (2010). Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications Amendment 6: Wireless Access in Vehicular Environments. IEEE Standards. [5] Campolo, C., Molinaro, A., and Vinel, A. (2011). 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Leandro Aparecido Villas é professor no instituto de computação da UNICAMP. Ele recebeu em 2012 o título de doutor pela Universidade Federal de Minas Gerais na área de coleta de dados em redes de sensores sem fio. Passou um ano no laboratório PARADISE no SITE da Universidade de Ottawa como parte de seu doutorado sandwich. Guilherme Maia é pós-doutorando em Ciência da Computação na Universidade Federal de Minas Gerais, Brasil. Ele obteve seu Ph.D. em Ciência da Computação, nesta mesma universidade em Seus interesses de pesquisa incluem algoritmos distribuídos, computação móvel, redes de sensores sem fio e redes veiculares ad hoc.