Análise da Conectividade e Recepção de Beacons em Redes VANET

Análise da Conectividade e Recepção de Beacons em Redes VANET Ricardo Mühlbauer UFABC - Universidade Federal do ABC Santo André, Brasil [email protected]

Abstract—VANETs (Vehicular Ad hoc Networks) são redes de comunicação veiculares em que os participantes não dependem necessariamente de uma infraestrutura de pontos de acesso central para se conectarem. Nos projetos de VANETs atualmente em fase de estudos e realização de testes de campo, um aspecto importante é a conectividade entre os nós participantes e o desempenho das comunicações periódicas de mensagens de segurança viária (Beacons) no canal de controle, conforme definidos nos padrões em desenvolvimento. Fig. 1.

Este artigo apresenta os resultados obtidos por meio de simulação, da avaliação de conectividade entre nós em redes veiculares e confiabilidade de recebimento de mensagens Beacons, considerando variação dos fatores potência de transmissão e frequência das mensagens em diferentes situações de densidade de tráfego. Os resultados mostram que o desempenho do padrão atual norte-americano WAVE previsto para VANETs é satisfatório em cenários de baixa a média densidade de veículos. Contudo, com o aumento da densidade de nós na rede, há um aumento significativo na perda de pacotes de mensagens periódicas afetando os requisitos de alta confiabilidade e baixa latência no recebimento de mensagens de segurança viária.

VANETs - Redes Ad Hoc Veiculares [2].

Segurança Viária: aviso de veículo lento ou parado; brakelight de frenagem brusca; aviso de ocorrência de acidente e colisão; aviso de problemas na pista (gelo, óleo, obstáculos); aviso de perigo na pista (aclive, declive, curva acentuados), alerta cooperativo de colisão (monitoração cinemática de posição, velocidade, direção e aceleração dos veículos vizinhos); aviso cooperativo de violação (informação do tempo de fase de semáforos e prevenção de violação de veículos); alerta de aproximação de veículos de emergência; monitoração da condição das vias (buracos, irregularidades no asfalto). A figura 2 ilustra este tipo de aplicação.

Keywords—VANET; Vehicular ad hoc Networks; WAVE; Beacons.

I.

INTRODUÇÃO ÀS VANETS

As redes VANET pressupõem a aplicação das comunicações sem fio, já amplamente utilizadas para os computadores, equipamentos portáteis e redes móveis MANETs (Mobile Ad Hoc Networks), para a conexão de veículos entre si, mas que também poderão conectar-se com equipamentos disponíveis em infraestrutura de estradas e rodovias. A figura 1 ilustra veículos em rede VANET. A maioria das pesquisas da literatura disponível agrupam as aplicações de VANETs em três categorias, conforme descrito em [1]: segurança viária, conveniência e comercial / entretenimento. Seguem exemplos das aplicações mais citadas atualmente para as VANETs.

Fig. 2.

Aviso Cooperativo de Colisão [3].

Conveniência: detecção e aviso de congestionamentos; monitoração de tráfego por centrais de trânsito; alteração dinâmica da velocidade máxima nas vias; pagamentos automáticos (pedágios, estacionamentos, postos de combustível); notificação de disponibilidade e localização de vagas em estacionamentos. Comerciais e Entretenimento: acesso à Internet; download de mídias de áudio e vídeo; diagnóstico e personalização remota do veículo; anúncio de serviços regionais (postos,

bares, restaurantes, mercados, etc); messaging e redes sociais veiculares (VESONETs). Os tipos de aplicação acima levam à necessidade de estabelecimento de diferentes modos de transmissão. Uma divisão proposta pelos pesquisadores Krishnan e Bai, e descrita em [1], separa as aplicações em comunicações por mensagens curtas e grandes volumes de dados, ilustrado na Figura 3. Mensagens curtas são utilizadas para aplicações de segurança viária e conveniência, e podem ser do tipo broadcast não orientadas a conexão, ou unicast orientadas a conexão. Transmissão ou download de volumes grandes de dados normalmente são do tipo unicast orientados a conexão.

A publicação destes padrões tem gerado vários trabalhos acadêmicos para verificação do desempenho das redes VANET, já que a comunicação entre veículos apresenta desafios devido à mobilidade dos nós, o que gera rápidas mudanças na topologia. Estes trabalhos têm mostrado alguns resultados contraditórios, mas em geral apontam a dificuldade do canal de comunicação em atender a situações de tráfego denso com os padrões propostos. Esse fator limitante, mais a questão de conectividade entre os nós vizinhos, é essencial no projeto de aplicações que utilizem esta rede, influenciando na operação das redes VANET e na segurança da informação. Conforme ilustrado na Figura 5, a pilha de protocolos WAVE é dividida basicamente em duas partes: protocolos do padrão Internet IPV6 voltados para aplicações não relacionadas à segurança viária e protocolo WSMP (Wave Short Message Protocol), especificamente projetado para aplicações VANET voltadas a mensagens curtas de segurança viária e conveniência.

Fig. 3.

VANETs – Modos de Transmissão [1].

O objeto deste artigo é a análise de desempenho das mensagens curtas de broadcast periódicas ou programadas. Esta seção de introdução conceituou as redes ad hoc veiculares e descreveu suas principais aplicações, delimitando o escopo do artigo; a segunda seção descreve a fundamentação teórica de funcionamento do padrão WAVE considerada neste artigo; a terceira seção aborda os trabalhos relacionados ao assunto; a quarta seção descreve a metodologia utilizada; a quinta seção apresenta os resultados obtidos na simulação; a sexta seção discute e interpreta estes resultados; a conclusão do documento está delineada na sétima seção. II.

FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

Em vista dos estudos e experimentos crescentes relacionados às VANETs, a FCC (Federal Communications Commission) nos EUA reservou uma banda de 75 Megahertz na faixa de frequência entre 5,850 e 5,925 Gigahertz (figura 4) para comunicações dedicadas de curto alcance em ambientes veiculares, conhecida como DSRC (Dedicated Short-Range Communications).

Fig. 4.

Canais DSRC [4].

Nos Estados Unidos, o DSRC foi inicialmente formulado pela ASTM (American Society for testing and Materials) e posteriormente foi assumido pelo IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) e dividido em dois grupos de trabalho: P1609 e 802.11p. A padronização do grupo P1609 é um adendo ao padrão de redes sem fio 802.11 conhecido como WAVE [5] (Wireless Access in Vehicular Environments).

Fig. 5.

Pilha de Protocolos WAVE [4].

O comitê técnico SAE DSRC está desenvolvendo o padrão J2735 [5] (Dicionário de conjunto de mensagens) para definir formatos padrões de mensagens, de forma que as RSUs e OBUs de diferentes marcas e fabricantes possam se comunicar. Um dos requisitos para as aplicações cooperativas de segurança viária é a sinalização periódica de cada veículo participante, permitindo aos veículos vizinhos a previsão de trajetória para evitar acidentes. Conhecidas como Beacons, a transmissão de mensagens está prevista para funcionar com a frequência de 1 a 10 Hz, e contém, entre outros, a identificação do veículo, coordenadas de posição, direção e velocidade. Estas sinalizações Beacons estão inicialmente previstas para utilizar o canal 178, conhecido como canal de controle. O padrão IEEE 1609.4 define uma extensão à camada MAC permitindo à rede chavear entre os canais DSRC [5]. O sistema mantém uma instância lógica separada do IEEE 802.11p MAC para cada canal, incluindo filas e estado de variáveis. A figura 6 ilustra o conceito de divisão de tempo no IEEE 1609.4. O tempo é segmentado em intervalos sincronizados de 100 mseg. Cada período consiste de um intervalo de canal de

controle CCH, seguido por um canal de serviço SSH, com 50 mseg cada um.

Fig. 6.

Chaveamento de canal CCH/SCH [4].

Abaixo da operação do IEEE 1609.4, a camada MAC WAVE IEEE 802.11p implementa um mecanismo de priorização de mensagens similar ao padrão IEEE 802.11e EDCA (Enhanced Distributed Coordination Function). Para cada canal existem 4 categorias de acesso AC0 a AC3, sendo AC3 a de maior prioridade (figura 7).

Fig. 7.

Método de acesso EDCA [6].

Segundo o tipo de aplicação VANET conforme definido na seção I, os pacotes de dados são atribuídos às filas segundo sua prioridade e são servidos de acordo com um sistema interno de contenção. As filas das categorias de acesso AC0 a AC3 possuem parâmetros diferentes conforme ilustrado na figura 8.

Finalmente, os pacotes de dados que passam pelo processo de contenção interna são submetidos ao procedimento de contenção externa CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Colision Avoidance). Em [7], os pesquisadores realizaram um estudo teórico da capacidade suportada pela rede VANET considerando apenas a transmissão de mensagens Beacons pelos veículos. Assumindo um certificado de 125 bytes conforme padrão IEEE 1609.2 somados aos 56 bytes da assinatura ECDSA, chega-se a um total de 181 bytes alocados apenas para a segurança das mensagens. Considerando mensagens de conteúdo de 30 bytes sem assinatura digital (a mensagem básica de segurança ou Beacon do padrão J2735 determina no mínimo 46 bytes), seria possível no máximo 500 veículos transmitirem Beacons com periodicidade de 10 Hz a 6 Mbps. Nestas condições, adicionando os 181 bytes correspondentes ao certificado e à assinatura, seria possível atingir no máximo 250 veículos, valor que pode ser atingido facilmente em vias de múltiplas faixas e congestionadas. Estes valores são teóricos, pois na prática a capacidade é menor devido ao número de colisões e retransmissão de pacotes que ocorre com a operação no limite da banda disponível. Além disso, no cálculo apenas foram consideradas as transmissões Beacon, porém também coexistem no canal as transmissões de anúncios de serviços (WSA – Wave Service Advertisements) e as mensagens de avisos e alertas que ocorrem dirigidas a eventos. Considerando-se adicionalmente, que o padrão WAVE prevê o chaveamento entre o canal de controle e o canal de serviço, e que os Beacons são transmitidos apenas no canal de controle que possui duração aproximada de 46 mseg, em [7] estimou-se que o limite máximo no canal seria de 92 veículos, insuficiente para condições de tráfego intenso. Em função disso, existe a possibilidade da utilização do canal DSRC 172 ser utilizado exclusivamente para as mensagens de segurança e Beacons, porém, isso levaria ao aumento de custos da implementação das VANETs com a necessidade de cada veículo possuir duas interfaces de rádio [5]. III.

TRABALHOS RELACIONADOS

Esta seção apresenta trabalhos relacionados a avaliações de desempenho da conectividade e recepção de Beacons em redes VANET. [8] realiza simulações avaliando o desempenho de mensagens de segurança no padrão IEEE 802.11p MAC variando a densidade de veículos e períodos do intervalo do canal de controle CCH. A avaliação indicou que o desempenho pode ser melhorado estendendo-se este intervalo, mas a confiabilidade da recepção de mensagens é problemática em situações de alta densidade de veículos.

Fig. 8.

Parâmetros EDCA [6].

[9] verifica o desempenho do padrão IEEE 802.11p forma analítica e comprova os resultados por meio simulação, derivando otimização de parâmetros em função probabilidade de recepção de pacotes com sucesso, vazão

de de da de

pacotes, atrasos e probabilidade de colisão em um ambiente veicular variável. [10] investiga a o ciclo de trabalho CCH/SCH dos canais de controle e serviço do padrão WAVE, baseando-se em modelos analíticos. Os resultados mostraram que a divisão de tempo entre o CCH e o SCH não viabiliza a utilização de tráfego de vídeo com taxas de dados realísticas nos canais. [11] apresenta um modelo analítico utilizando cadeias de Markov para a determinação da vazão do mecanismo EDCA na subcamada MAC do IEEE 802.11p. O modelo analítico é verificado por meio de simulações. [12] propõe um esquema de melhoria de acesso aos canais VANET para permitir a um nó ficar no canal de serviço tanto quanto necessário antes de retornar ao canal de controle. Os resultados de simulação mostram uma melhoria significativa de utilização dos canais sob várias condições da rede veicular.

Nos simuladores isolados ou separados, os traços de mobilidade veicular são gerados pelo simulador de tráfego e transferidos para o simulador de rede, não havendo interação entre os simuladores durante a geração dos traços. Simuladores integrados ou embutidos: o simulador de tráfego é embutido em um simulador de rede ou vice-versa, permitindo interação bidirecional durante a geração dos traços de mobilidade. Simuladores federados: os simuladores ficam separados, conforme ilustrado na figura 9, mas há uma interface de comunicação bidirecional controlando a informação entre eles durante o processo de simulação. A vantagem desta configuração é permitir aproveitar o estado-da-arte de simuladores de tráfego e rede desenvolvidos de forma independente.

[13] utiliza modelos analíticos para avaliação da entrega de mensagens de segurança viária. Os resultados mostraram que os mecanismos definidos no padrão IEEE 802.11p satisfazem os requisitos de latência necessários, mas não atendem à confiabilidade requerida para a entrega de mensagens de segurança viária. [14] realiza uma análise numérica utilizando cadeias de Markov para verificar o desempenho do protocolo EDCA MAC definida no padrão IEEE 802.11p apresentando resultados relacionados à vazão, perdas, ocupação de buffer e atrasos de transmissão; métricas importantes no ambiente de redes veiculares. [15] compara por meio de simulações os padrões europeu ETSI G5 ITS e norte-americano WAVE. Os resultados mostram que, por diferentes motivos, em situações de alta densidade de nós o desempenho fica crítico em ambos os padrões. IV.

METODOLOGIA

A realização de testes de campo em redes VANET apresenta altos custos e dificuldades logísticas devido à necessidade de alocação de veículos, vias de trânsito e dos equipamentos embarcados necessários para processamento e comunicação. Somente projetos como o programa do Departamento Americano de Transportes denominado ITS JPO [2] (Intelligent Transportation Systems Joint Program Office) envolvendo montadoras, fabricantes de autopeças e universidades, possuem recursos para analisar em ambiente real o desempenho de VANETs.

Fig. 9.

Simuladores Federados.

B. Ambiente da Avaliação Plataforma de hardware: o ambiente de simulação utilizado é composto por um notebook da marca Sony Vaio, processador Intel i5-3337U 1.8GHz, 64 bits, RAM 4GB, Sistema Operacional Windows 8.1. Plataforma de software: Sistema Operacional Linux instalado em uma máquina virtual com o produto VMware Player V6.0.2 [17] e os sistemas operacionais Ubuntu 12.04.4 Precise Pangolin LTS [18]. Os simuladores de tráfego e rede rodam em paralelo acoplados bidirecionalmente por um soquete TCP, conforme esquema da figura 10.

Portanto, estudos independentes de redes veiculares têm utilizado predominantemente simuladores, permitindo o teste de implementação dos padrões em desenvolvimento e novas aplicações. Os simuladores utilizados neste trabalho foram escolhidos com base na pesquisa [16], resumida nos itens a seguir. A. Simuladores de redes VANET Os simuladores utilizados em redes veiculares podem ser do tipo isolados, integrados ou federados.

Fig. 10.

Ambiente de Simulação.

Seguem as versões dos simuladores utilizados nos experimentos:  Simulador de tráfego SUMO v 0.19.0 [19]  Simulador de eventos OMNeT++ v 4.2 [20]  Extensão MiXiM (Mixed Simulator) v 2.3 [21]  Framework VEINS v 2.2 [22] C. Parâmetros do Simulador de Tráfego A seleção de níveis de detalhamento em modelamento de mobilidade para simulações de VANETs é uma decisão crítica. Diversos artigos abordam especificamente este tema [23][24][25][26]. O modelo de mobilidade utilizado pelo SUMO é o CarFollowing-Model, em que o comportamento dos motoristas é calculado com base na posição, velocidade e aceleração dos veículos vizinhos.

Fig. 11.

Densidade baixa de tráfego.

Fig. 12.

Densidade média de tráfego.

Para delimitar o estudo em cenários comparáveis, foi escolhida uma via contínua de 600 metros, sem cruzamentos, composta por 3 faixas e duas mãos de tráfego. Um veículo, utilizado como referência para as medições, permanece posicionado no centro da faixa. Visando obter cenários realísticos de tráfego, foram utilizados veículos de passageiros e utilitários na proporção de 9 para 1 respectivamente, conforme dados obtidos em [27]. Os veículos entram em uma das três faixas de forma aleatória, assim como sua velocidade. Em função disso, os veículos podem realizar mudanças de faixa e ultrapassagens. Estes parâmetros variam em cada simulação conforme a semente fornecida pelo simulador de rede. O SUMO implementa o algoritmo Mersenne Twister em seu gerador de números aleatórios. A seguir a relação dos parâmetros utilizados no simulador de tráfego SUMO:  Comprimento dos veículos: 5m (carros) e 10 m (utilitários)  Distância mínima entre veículos: 1m  Aceleração máxima: 4 m/s2  Desaceleração máxima: 6 m/s2  Velocidade: 60 km/h (carros) e 54 km/h (utilitários). Variação de velocidade segundo distribuição normal. SpeedFactor =1, SpeedDev= 0,5.  Probabilidade de entrada dos veículos: 90% automóveis e 10% caminhões, ônibus e utilitários.  Entrada aleatória em uma das 3 faixas em cada mão de direção Três cenários de densidade veicular foram estabelecidos: densidade de tráfego baixa (10 veículos), média (50 veículos) e alta (100 veículos), conforme ilustrado nas figuras 11, 12 e 13. Fig. 13.

Densidade alta de tráfego.

D. Parâmetros do Simulador de Rede Os veículos estão equipados com interface de rádio segundo o padrão IEEE 802.11p, podendo emitir e receber sinalizações periódicas BSM (Basic Safety Messages) ou Beacons. Os parâmetros estabelecidos para a interface de rádio são os seguintes:  Frequência da portadora: 5,89 Ghz  Potência máxima de transmissão: fator variável

G. Medições Foi adotada a seguinte nomenclatura para geração dos arquivos de resultados de cada medição e que será utilizada igualmente nas seções a seguir: Pb, Pm, Pa – potência baixa, média e alta. Fb, Fm, Fa – frequência baixa, média e alta. Db, Dm, Da – densidade baixa, média e alta.

 Nível de atenuação mínimo do sinal (sensibilidade): -89 dbm

Conforme o capítulo 16 de [29], é possível eliminar algumas combinações de fatores e níveis.

 Taxa de transmissão: 6 Mbps (3 a 27 Mbps)

Das 27 combinações possíveis de fatores e níveis (full factorial design), foram escolhidas as 21 medições abaixo (fractional factorial design), agrupadas segundo a densidade de veículos:

 Frequência de sinalização beacon: variável (1 a 10 hz)  Ruído térmico: -110 dbm  Prioridade de sinalização Beacon: 3  Prioridade de mensagens de dados (eventos): 2  Tamanho do pacote de dados Beacon: 32 bytes E. Fatores e Níveis Os fatores variáveis na simulação são a potência e a frequência de transmissão dos Beacons, e a densidade de veículos nas vias. A potência e a frequência de transmissão de beacons foram escolhidos como fatores, de acordo com as previsões do padrão IEEE 802.11p [28]. Os níveis escolhidos para os fatores estão descritos na tabela 1.

Tab. 1.

Fatores e Níveis de Simulação.

F. Demais Parâmetros de Simulação As medições dos experimentos foram replicadas 30 vezes para cada combinação de nível dos parâmetros. As 30 sementes utilizadas para o gerador de números aleatórios do SUMO foram determinadas também de forma aleatória e estão descritas na tabela 2.

1) PbFbDb, PbFbDm, PbFbDa 2) PbFaDb, PbFaDm, PbFaDa 3) PmFmDb, PmFmDm, PmFmDa 4) PmFaDb, PmFaDm, PmFaDa 5) PaFbDb, PaFbDm, PaFbDa 6) PaFmDb, PaFmDm, PaFmDa 7) PaFaDb, PaFaDm, PaFaDa H. Carga de Trabalho e Métricas A carga de trabalho é gerada pela criação automática de nós de rede sem fio no simulador OMNetpp conforme a inserção dos veículos no simulador SUMO. A extensão MiXim gera arquivos de resultados contendo vários dados de cada nó na rede sem fio. Entre estes, de interesse para este trabalho são as medições de pacotes transmitidos e recebidos por cada nó, especialmente o nó correspondente ao veículo de referência, perdas de pacotes ocasionadas por colisões e perdas de pacotes relacionadas ao parâmetro SNIR (Signal Noise plus Interference Ratio). A taxa SNIR é definida como a potência de um determinado sinal dividida pela soma das potências de todos os sinais de interferência de transmissões simultâneas, mais o ruído de fundo. É um valor utilizado comumente para definir o limite superior de taxas de transmissão em redes sem fio. Em cada medição, as métricas utilizadas são:  Quantidade total média de pacotes existentes na rede  Quantidade média de pacotes recebidos com sucesso no nó de referência

Tab. 2.

Sementes de Simulação.

 Quantidade média de pacotes perdidos por interferências ou insuficiência de sinal (SNIR)  Quantidade média de pacotes perdidos por colisões

Tempo de cada simulação: 70 segundos.

 Taxa de pacotes recebidos no nó de referência

Tempo de warm-up: 20 segundos.

 Taxa de pacotes recebidos com sucesso no nó de referência em relação ao total recebido

Nível de confiança: 95%.

 Taxa de perdas de pacotes por interferências ou insuficiência de sinal (SNIR)  Taxa de perdas de pacotes por colisões V.

RESULTADOS

A. Cenário PbFb Este cenário de medição descrito nas figuras 14 e 15, corresponde à potência baixa e frequência baixa para as densidades baixa, média e alta.

Fig. 14.

Cenário PbFa – Quantidade de Pacotes.

Fig. 16.

Cenário PbFb – Quantidade de Pacotes. Fig. 17.

Cenário PbFa – Taxa de Pacotes.

C. Cenário PmFm Este cenário de medição descrito nas figuras 18 e 19, corresponde à potência média e frequência média para as densidades baixa, média e alta.

Fig. 15.

Cenário PbFb – Taxa de Pacotes.

B. Cenário PbFa Este cenário de medição descrito nas figuras 16 e 17, corresponde à potência baixa e frequência alta para as densidades baixa, média e alta.

Fig. 18.

Cenário PmFm – Quantidade de Pacotes.

+

Fig. 19.

Cenário PmFm – Taxa de Pacotes.

D. Cenário PmFa Este cenário de medição descrito nas figuras 20 e 21, corresponde à potência média e frequência alta para as densidades baixa, média e alta. Fig. 22.

Fig. 20.

Cenário PaFb – Quantidade de Pacotes.

Cenário PmFa – Quantidade de Pacotes.

Fig. 23.

Cenário PaFb – Taxa de Pacotes.

F. Cenário PaFm Este cenário de medição descrito nas figuras 24 e 25, corresponde à potência alta e frequência média para as densidades baixa, média e alta.

Fig. 21.

Cenário PmFa – Taxa de Pacotes.

E. Cenário PaFb Este cenário de medição descrito nas figuras 22 e 23, corresponde à potência alta e frequência baixa para as densidades baixa, média e alta. Fig. 24.

Cenário PaFm – Quantidade de Pacotes.

VI.

DISCUSSÃO

A discussão dos resultados será realizada a seguir, separadas conforme a variação do fator densidade veicular: A. Densidade Veicular Baixa De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que o desempenho do padrão IEEE 1609 WAVE e IEEE 801.11p é totalmente satisfatório nos cenários de baixa densidade de veículos, ou seja, em torno de 10 veículos em vias de múltiplas faixas de 600 metros. Em todas as combinações testadas de potência e frequência de transmissão de Beacons, as perdas de pacotes ficaram muito próximas a zero, alcançando no pior caso (PmFa) uma taxa de perda de pacotes de apenas 0,86%.

Fig. 25.

Cenário PaFm – Taxa de Pacotes.

G. Cenário PaFa Este cenário de medição descrito nas figuras 26 e 27, corresponde à potência alta e frequência alta para as densidades baixa, média e alta.

As simulações de potências baixas de transmissão limitam o alcance do sinal, e consequentemente a recepção de mensagens de segurança dos veículos que adentram o cenário de simulação, conforme pode-se verificar pelo número e taxa de pacotes recebidos pelo veículo de referência em relação ao total de pacotes transmitidos por todos os veículos na via. A diminuição da frequência de transmissão de Beacons de 10 Hz para 5Hz ou 1 Hz, traz uma diminuição do número de mensagens recebidos pelo veículo de referência, o que pode ocasionar maior latência para aplicações de aviso cooperativo de colisão, especialmente em cenários de baixa densidade veicular em que os veículos podem atingir velocidade máxima e realizar facilmente trocas de faixas de rodagem. Em função das justificativas acima, em cenários de baixa densidade veicular deve-se utilizar a combinação de fatores PaFa, ou seja, máxima potência de alcance do sinal e máxima frequência de sinalização dos Beacons. B. Densidade Veicular Média De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que o desempenho do padrão IEEE 1609 WAVE e IEEE 801.11p é parcialmente satisfatório em cenários de média densidade de veículos, ou seja, em torno de 50 veículos em vias de múltiplas faixas de 600 metros.

Fig. 26.

Cenário PaFa – Quantidade de Pacotes.

Neste cenário, a pior medição identificada nos experimentos é a PmFa, ou seja, utilização de potência média e alta frequência de Beacons. Neste caso, a taxa de perda média atingiu 6% dos pacotes, o que impacta significativamente a necessidade de confiabilidade no recebimento de avisos cooperativos de colisão. O alcance das mensagens atingido na potência média e alta são equivalentes para o tamanho de via de 600 metros considerado neste trabalho. Porém, devido à potência média estar no limite de alcance da via, o aumento de potência resulta em menor perda por insuficiência de sinal ou interferências entre os nós, melhorando a relação SNIR. Com isso, a medição PaFa apresenta uma taxa de perda de pacotes de 2%; um desempenho superior à medição PmFa.

Fig. 27.

Cenário PaFa – Taxa de Pacotes.

Mantendo-se a potência alta e diminuindo-se a frequência de Beacons para média ou baixa, o desempenho neste cenário é satisfatório, com taxas de perdas máximas de 0,25% dos pacotes.

As medições com potência baixa não indicam uma situação vantajosa, pois, mantendo uma taxa de frequência alta dos Beacons, a taxa de perda de pacotes atinge 2%, mesmo valor alcançado com potência alta que fornece maior alcance das mensagens.

D. Cenário de Tráfego Congestionado Assume-se comumente que a ocorrência em uma via de velocidades médias inferiores a 10 km/h e manutenção de uma distância mínima média entre os veículos de poucos metros, caracteriza o congestionamento do tráfego na via.

Em função das justificativas acima, em cenários de média densidade veicular deve-se utilizar a combinação de fatores PaFa ou PaFm, ou seja, máxima potência de alcance do sinal e frequência máxima ou média de sinalização dos Beacons, dependendo do nível de confiabilidade desejado para o recebimento das mensagens periódicas de segurança viária. É um tradeoff de projeto e operação das redes VANET: maior confiabilidade e latência, ou menor confiabilidade e latência.

Embora este cenário não tenha sido alvo de simulação neste trabalho, pode-se depreender das medições realizadas que uma combinação de fatores adequada pode ser a PbFb, ou seja, potência e frequência de Beacons baixas. Motivo é que devido à baixa mobilidade dos veículos, é satisfatório um tempo de latência alto na entrega de mensagens e baixo alcance das transmissões.

C. Densidade Veicular Alta De acordo com os resultados obtidos, verifica-se que o desempenho do padrão IEEE 1609 WAVE e IEEE 801.11p é parcialmente satisfatório em cenários de alta densidade de veículos, ou seja, em torno de 100 veículos em vias de múltiplas faixas de 600 metros. Neste cenário, a pior medição identificada nos experimentos é a PmFa, ou seja, utilização de potência média e alta frequência de Beacons. Neste caso, a taxa de perda média atingiu 12% dos pacotes, o que impacta sobremaneira a necessidade de confiabilidade no recebimento de avisos cooperativos de colisão. Causada pelo mesmo motivo explicado no item B desta seção, a medição PaFa apresenta uma taxa de perda de pacotes de 5,5%, inferior à medição PmFa. Porém, um valor ainda alto para o nível de confiabilidade necessário para as VANETs. Mantendo-se a potência alta e diminuindo-se a frequência de Beacons para média ou baixa, o desempenho neste cenário é satisfatório, com taxas de perdas máximas de 0,44% dos pacotes. As medições com potência baixa não indicam uma situação vantajosa, pois, mantendo uma taxa de frequência alta dos Beacons, a taxa de perda de pacotes atinge 5%, praticamente o mesmo valor alcançado com potência alta que fornece maior alcance das mensagens. Em função das justificativas acima, em cenários de alta densidade veicular deve-se utilizar a combinação de fatores PaFm, ou seja, máxima potência de alcance do sinal e frequência média de sinalização dos Beacons. Em cenários de alta densidade veicular, a redução da frequência dos Beacons e consequente aumento de latência das mensagens de aviso cooperativo de colisão não é necessariamente um problema, já que a velocidade dos veículos se reduz com o aumento do número de veículos. Além da diminuição da velocidade média, há uma tolerância maior no tempo de reação dos motoristas e menos oportunidades de mudança de faixa de rodagem. A medição desta latência e tempos de reação foge ao escopo deste trabalho e requer a utilização de simuladores submicroscópicos de tráfego [16] ou estudos de testes experimentais em campo.

Além disso, em situações de congestionamento veicular é desejável diminuir o volume de mensagens periódicas no canal de comunicação, liberando banda de comunicação para outras aplicações, por exemplo, de entrenimento ou comerciais (vide a seção I deste artigo). VII. CONCLUSÃO Os padrões IEEE 1609 WAVE e IEEE 802.11p em desenvolvimento há mais de dez anos para as redes veiculares vêm sendo avaliados por pesquisadores da comunidade acadêmica, principalmente através de técnicas de modelagem analítica e simulação. Complementados por testes de campo em projetos liderados por governos e pelas indústrias automobilísticas, a implementação das redes VANET poderá ser viabilizada. Porém, conforme apontado nos trabalhos relacionados da seção III, em cenários de alta densidade veicular os padrões apresentam dificuldades em suportar o recebimento de mensagens periódicas com alta confiabilidade e baixa latência. Esta constatação foi confirmada neste artigo de acordo com os resultados de simulações apresentados na seção V e discussões da seção VI. O padrão IEEE 802.11p está previsto para permitir controle dos parâmetros potência de transmissão e frequência de sinalização periódica. Torna-se, portanto, necessário continuar as pesquisas para identificar a combinação adequada de parâmetros, que permita um balanceamento otimizado entre confiabilidade e latência nas diversas condições de tráfego possíveis. Segundo as simulações realizadas neste trabalho, a proposta do artigo é a manutenção inicial da potência de transmissão em níveis altos em função da relação SNIR. A frequência de Beacons deve ser alta para densidade baixa de veículos e reduzida gradualmente à medida que a densidade aumenta. No ponto em que o tráfego atinja uma característica de congestionamento, a potência deve passar de alta para baixa. Para otimizar a relação entre a frequência de Beacons e a densidade veicular, é necessário realizar mais simulações ampliando os níveis do fator densidade veicular, e considerar a latência das informações em função da velocidade dos veículos. Uma sugestão de estudo futuro que pode auxiliar a determinar a frequência de Beacons é um estudo analítico e experimentos de simulação da probabilidade de perdas

consecutivas de recebimento de mensagens periódicas em um mesmo veículo. Outra possibilidade de estudo futuro é a avaliação de desempenho considerando a distância dos nós vizinhos, identificando para as diversas variações de fatores a confiabilidade e perdas de pacotes em relação à proximidade dos nós. Nos trabalhos relacionados não foram identificados os estudos acima sugeridos, que podem ser determinantes na definição de algoritmos e parametrização em redes de rápida mudança de topologia como as VANETs. RECONHECIMENTOS Agradecimentos ao Professor Dr. Carlos Alberto Kamienski da Universidade Federal do ABC pelas aulas de Avaliação de Desempenho de Redes e Sistemas, que proporcionaram a base para a realização deste artigo. REFERÊNCIAS [1]

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