VANET Referências. Redes Veiculares VANET. Francisco Duarte Oliveira

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1 Redes Veiculares Francisco Duarte Oliveira Tópicos em Redes de Computadores Mestrado Acadêmico em Ciências da Computação Universidade Estadual do Ceará 24 de outubro de 2014 Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

2 Agenda Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

3 A comunicação intraveicular (IVC - Intervehicle Communication) vem atraindo considerável atenção na comunidade científica e na indústria automobiĺıstica, isso por fornecer um sistema de transporte inteligente (ITS - Intelligent Transportation System) e ainda possibilitar o surgimento de novas aplicações e campos de pesquisa. Neste contexto, as redes veiculares ad hoc emergiram como uma nova classe de rede sem fio, fornecendo comunicação entre veículos e entre veículo e infraestrutura. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

4 Nas grandes cidades brasileiras, condutores (e passageiros) ficam por volta de 35 minutos por dia no trânsito somente para ir de casa para o trabalho. Em algumas metrópoles internacionais, como Xangai, esse tempo é ainda maior. Nos Estados Unidos, o tempo gasto dentro de veículos/trânsito passa de uma hora por dia. Nesse contexto, o setor do entretenimento e das telecomunicações enxerga as redes veiculares multimídia como um mercado promissor para aumentar receitas e oferecer novos serviços de vídeo streaming em tempo real para passageiros. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

5 Em poucos anos, conteúdos multimídia irão representar aproximadamente 90% de todo o tráfego da Internet, inclusive impulsionado pelas redes veiculares. Além das empresas de entretenimento e telecomunicações, o setor automotivo, governos, seguradoras e até mesmo a sociedade, acreditam que as redes veiculares multimídia podem auxiliar na captura, transmissão e/ou compartilhamento de vídeos em tempo real relacionados, por exemplo, a situações de desastre, acidente e perigo (por exemplo, enchentes, incêndios ou tornados/furacões). Fluxos de vídeo transmitem informações mais precisas do que simples mensagens de texto ou dados escalares, assim como permitem a tomada de decisão mais eficiente por parte de condutores ou equipes de resgate/apoio. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

6 - Redes veiculares (s) são um subtipo das redes móveis ad hoc (MA- NETs - Mobile Ad hoc NETworks) onde os nós são unidades de bordo em veículos (OBU) ou unidades de acostamento (RSUs). Esse novo tipo de rede surgiu graças à industria automobiĺıstica e aos avanços da tecnologia sem fio. De acordo com [ACC + 09] podemos destacar três tipos de comunicação, a saber, infraestruturada, ad hoc pura e híbrida. A Figura 1 ilustra essas três formas de comunicação. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

7 Introduc a o Refere ncias Introduc a o Caracterı sticas Padro es Aplicac o es - Introduc a o Figura : das redes veiculares [ACC+ 09] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

8 - A abordagem infraestruturada é caracterizada pela comunicação veículoinfraestrutura (V2I - Vehicle-to- Infrastructure). O porém dessa abordagem é o alto custo de instalação das RSUs ao longo das vias. Contudo, no modo de comunicação ad hoc puro, toda comunicação ocorre veículo a veículo (V2V - Vehicle-to-Vehicle), assim poupa-se os custos de instalação das várias RSUs. No entanto, manter a conectividade da rede tornase uma tarefa mais desafiadora. Já na forma híbrida é realizada tanto a comunicação V2V quanto a V2I. Consequentemente o modo híbrido se apresenta com a relação custo-benefício mais viável. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

9 - O comportamento característico das redes veiculares a distingue dos outros tipos de redes móveis devido a natureza de seus nós. Esses, por se tratarem de veículos (carros próprios, ônibus, ambulâncias, táxis, motos e etc), trazem a essa rede alguns atrativos, como os levantados em [MZ09]: Ausência de limitação energética; Maior capacidade computacional; Mobilidade previsível. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

10 - Contudo, ainda em [MZ09] e também em [YMF06] são comentadas certas características desafiadoras presentes nas redes veiculares, tornando-as um campo ainda mais interessante: Grande quantidade de nós; Rápidas e frequentes mudanças topológicas; Particionamento da rede e curto tempo de vida de um enlace. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

11 Distributed Short Range Communication (DSRC) No ano de 1991, como também pode ser visto em [UAM09], o congresso dos Estados Unidos por meio da ISTEA (Intermodal Surface Transportation Efficiency Act of 1991) criou o programa chamado IVHS (Intelligent Vehicle Highway Systems). Em 1996, o DoT, a ITSA (Intelligent Transportation Society of America) - uma organização sem fins lucrativos cujos membros vêm da indústria e da academia, bem como dos governos federal, estadual e municipal - e outras partes interessadas tinham desenvolvido um framework, chamado NITSA (National Intelligent Transportation Systems Architecture), para o qual serviços IVHS poderiam ser sistematicamente planejados, definidos e integrados. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

12 Distributed Short Range Communication (DSRC) Na época, algumas aplicações, tais como a cobrança de pedágio automático, foram testadas utilizando o espectro entre 902 MHz e 928 MHz, conhecido como banda ISM (Industrial, Scientific and Medical radio band). Entretanto, essa banda era muito pequena e poluída para permitir a evolução imaginada das comunicações IVHS. Consequentemente, em 1997, a ITSA solicitou à Comissão Federal de Comunicações dos EUA (FCC - Federal Communications Commission) 75 MHz de largura de banda na faixa de 5.9 GHz, com o objetivo de dar suporte às comunicações dedicadas de curta distância (DSRC) do sistema de transporte inteligente (ITS). Por sua vez, em outubro de 1999, a FCC concedeu os 75 MHz de espectro solicitados na faixa GHz. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

13 Distributed Short Range Communication (DSRC) Quando comparado ao espectro antecessor, 915 MHz, o DSRC 5,9 GHz mostra um significativo avanço [GB06]. A Tabela 1 mostra as diferenças entre a tecnologia antecessora e a atual MHz MHz Espectro 12 MHz 75 MHz Taxa de dados 0,5 Mb/s 3-27 Mb/s Potencial de interferência alto baixo Cobertura uma zona de comunicação zonas de comunicação sobrepostas Alcance máximo 300 pés (91,44 metros) 1000 metros Separação mínima 1500 pés (457,2 metros) 50 pés (15,2 metros) Canais 1 a 2 canais 7 canais Tabela : Comparação entre as tecnologias DSRC [GB06] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

14 Distributed Short Range Communication (DSRC) Figura : Espectro DSRC [ACC + 09] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

15 Distributed Short Range Communication (DSRC) O espectro DSRC é livre, contudo, também é licenciado e consiste em sete canais de 10 MHz de largura cada, ilustrado na figura 2. Conforme pode ser visto em [MDVWH13], o canal 178 é o canal de controle (CCH - Control Channel), sendo restrito apenas à comunicações de segurança no ambiente veicular. Assim, somente mensagens curtas de alta prioridade e dados de gerenciamento, mensagens do protocolo WSMP (Wave Short Message Protocol), podem utilizar esse canal. Os canais restantes são de serviço (SCH - Service Channels), esses podem ser utilizados por aplicações de conforto e segurança. Contudo, os canais 172 e 184 são exclusivos para serviços relacionados à preservação da vida e segurança pública respectivamente. Já os 5 MHz iniciais do espectro são reservados para evitar interferências com a banda inferior. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

16 Distributed Short Range Communication (DSRC) A comutação entre canais DSRC é definida na arquitetura WAVE e ocorre por divisão de frequência e tempo, conforme ilustra a Figura 3. O canal é dividido em períodos síncronos de 100 ms, constituídos de 50 ms para o canal de controle e 50ms para os canais de serviço. Ademais, dentro de cada um desses intervalos de 50 ms são reservados 4 ms para a comutação entre CCH e SCH. Figura : Comutação entre canais DSRC [MDVWH13] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

17 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) O grupo de trabalho IEEE vem desenvolvendo a família de padrões WAVE desde 2004 [UAM09]. Conforme visto em [GDFAB13], vários padrões IEEE de uso experimental foram publicados durante , incluindo (serviços de gerenciamento remoto), (serviços de segurança), (serviços de rede) e ( operação em múltiplos canais). Esses padrões foram usados para proporcionar uma série de testes de campo. Novas versões do e foram publicadas em 2010 juntamente com dois novos padrões, (coleta automática de encargos) e (alocação de identificador de provedor de serviço). Dois novos padrões estão em desenvolvimento, os quais são (arquitetura) e (gerenciamento remoto). Contudo, o não obteve apoio suficiente em sua fase experimental, e assim não será mais mantido. A Figura 4 mostra a arquitetura da pilha WAVE. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

18 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) Figura : da pilha de protocolos WAVE [IEE14] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

19 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) IEEE P Architecture [IEE14]: Descreve a arquitetura WAVE bem como os serviços necessários para que os dispositivos WAVE se comuniquem. Destina-se a ser utilizado em conjunto com a família de padrões IEEE 1609, assim que for publicado. IEEE Std TM - Security Services for Applications and Management Messages [IEE13]: Define o formato, bem como o processamento das mensagens seguras, incluindo os métodos de proteção das mensagens de gerenciamento e das mensagens provenientes das aplicações. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

20 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) IEEE Std TM - Networking Services [IEE10b]: Define os serviços da camada de rede, bem como da de transporte, incluindo endereçamento, roteamento e suporte à troca segura de dados. Também define as mensagens do WSMP, fornecendo assim uma eficiente alternativa ao IPv6 (Internet Protocol version 6), ou seja, propicia suporte direto as aplicações. Além disso, nesse padrão é definida a MIB (Management Information Base) para a pilha WAVE. IEEE Std TM - Multi-Channel Operations [IEE11b] : Especifica melhorias à camada MAC do IEEE para o suporte às operações em múltiplos canais WAVE. Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

21 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) IEEE P Remote Management Services: Fornece um serviço interoperável para gerenciar dispositivos WAVE de forma remota. Tal função consiste essencialmente em um serviço de gerenciamento remoto, incluindo serviços de identificação para os dispositivos WAVE. Isto ocorre utilizando serviços de controle definidos em [IEE10a]. IEEE Std TM - Over-the-Air Data Exchange Protocol for Intelligent Transportation Systems [IEE11a]: Define os serviços e formatos de mensagens seguras necessários para oferecer suporte a pagamentos eletrônicos. IEEE Std TM - Identifier Allocations [IEE12]: Determina os valores de identificadores alocados para uso dos sistemas WAVE, incluindo as alocações do Provedor de Serviços de Identificador, isto conforme normas da ISO, CEN e ETSI (International Organization for Standardization, European Committee for Standardization e European Telecommunications Standards Institute). Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

22 Classe Propriedades de a Desejáveis Desafios Exemplos Considerar em Protocolos Alerta de Colisão; Segurança Atraso Confiabilidade Reduzir Colisão de Interseção; a Latência Aviso na Travessia de Pedestre; Mudança de Faixa de Motocicleta/Ciclista. Tempo-Real Disponibilidade Fluxo de Tráfego; Eficiência Disponibilidade Confiabilidade de Serviços Condição da Estrada; Perigos na Estrada. Suporte Espaço para Estacionamento Gratis; Conforto Confiabilidade Tempo-Real sob Download de Músicas; Demanda Reproduzir Vídeos. Entretenimento Conectividade Comunicação Manter Jogos; Atividades Interativo e Unicast Sincronização Síncronas e outras Disponibilidade atividades da Internet. Entretenimento Tolerante Disseminação Throughput Download de não a de Apropriado Vídeos; Atividades Interativo Atraso Dados Assíncronas. Sensoriamento Coleção Segurança em Fotografias; Urbano Mobilidade de Comunicação condições Dados de Dados da Estrada. Tabela : Categorização das aplicações s [DDCAVCVL14] Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

23 I R.S. Alves, I.V. Campbell, R.S. Couto, M.E.M. Campista, I.M. Moraes, M.G. Rubinstein, L.H.M.K. Costa, O.C.M.B. Duarte, and M. Abdalla, Redes veiculares: Princípios, aplicações e desafios, Minicursos do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores, SBRC (2009). Felipe Domingos Da Cunha, Leandro Aparecido Vilas, Aline Carneiro Viana, and Antonio A. F. Loureiro, Data Communication in s: A Survey, Challenges and Applications, Technical report, Jan Jinhua Guo and Nathan Balon, Vehicular ad hoc networks and dedicated short-range communication, Book Chapter. Available at: (2006). Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

24 II Ali J Ghandour, Marco Di Felice, Hassan Artail, and Luciano Bononi, Dissemination of safety messages in ieee p/wave vehicular network: Analytical study and protocol enhancements, Pervasive and Mobile Computing (2013). Working Group IEEE1609, Ieee standard for wireless access in vehicular environments (wave) - networking services, IEEE Std (Revision of IEEE Std ) (2010), , Ieee standard for wireless access in vehicular environments (wave) - networking services - redline, IEEE Std (Revision of IEEE Std ) - Redline (2010), , Ieee standard for wireless access in vehicular environments (wave) over-the-air electronic payment data exchange protocol for intelligent transportation systems (its), IEEE Std (2011), Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

25 III, Ieee standard for wireless access in vehicular environments (wave) multi-channel operation, IEEE Std (Revision of IEEE Std ) (2011), 1 89., Ieee standard for wireless access in vehicular environments (wave) - identifier allocations, IEEE Std IEEE P Remote Management Services (2012), 1 20., Ieee standard for wireless access in vehicular environments security services for applications and management messages, IEEE Std (Revision of IEEE Std ) (2013), , Ieee approved draft guide for wireless access in vehicular environments (wave) - architecture, IEEE P1609.0/D7.0, August 2013 (2014), Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

26 IV Lusheng Miao, Karim Djouani, Barend Jacobus Van Wyk, and Yskandar Hamam, Performance evaluation of ieee p mac protocol in vanets safety applications, Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2013 IEEE, IEEE, 2013, pp Hassnaa Moustafa and Yan Zhang, Vehicular networks: Techniques, standards, and applications, 1st ed., Auerbach Publications, Boston, MA, USA, R Uzcategui and Guillermo Acosta-Marum, Wave: a tutorial, Communications Magazine, IEEE 47 (2009), no. 5, Saleh Yousefi, Mahmoud Siadat Mousavi, and Mahmood Fathy, Vehicular ad hoc networks (vanets): challenges and perspectives, ITS Telecommunications Proceedings, th International Conference on, IEEE, 2006, pp Redes Veiculares 24 de outubro de / 26

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