Luiz Henrique da Costa Silva

PONTIFICIA UNIVERSIDADE CATOLICA DE MINAS GERAIS

Programa de Pos-Graduacao em Informatica

Luiz Henrique da Costa Silva

UM PROTOCOLO DE DISSEMINACAO DE DADOS EM

REDES VEICULARES ORIENTADO A DENSIDADE DE

VEICULOS

Belo Horizonte

2020




VEICULOS

Dissertacao apresentada ao Programa dePos-Graduacao em Informatica da PontifıciaUniversidade Catolica de Minas Gerais, comorequisito parcial para obtencao do tıtulo deMestre em Informatica.

Orientadora:Prof.a Dr.a Raquel Apare-cida de Freitas Mini

Belo Horizonte

2020

FICHA CATALOGRÁFICA

Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais

Silva, Luiz Henrique da Costa

S586p Um protocolo de disseminação de dados em redes veiculares orientado à

densidade de veículos / Luiz Henrique da Costa Silva. Belo Horizonte, 2020.

77 f. : il.

Orientadora: Raquel Aparecida de Freitas Mini

Dissertação (Mestrado) - Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais.

Programa de Pós-Graduação em Informática

1. Sistemas inteligentes de veículos rodoviários. 2. Trânsito -

Congestionamento. 3. Sistemas de comunicação móvel. 4. Sistemas de transmissão

de dados. 5. Protocolo de aplicação sem fio (Protocolo de rede de computador). 6.

Métodos de simulação. I. Mini, Raquel Aparecida de Freitas. II. Pontifícia

Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em

Informática. III. Título.

CDU: 681.3.01:621.39

Ficha catalográfica elaborada por Fabiana Marques de Souza e Silva - CRB 6/2086




VEICULOS

Dissertacao apresentada ao Programa dePos-Graduacao em Informatica como re-quisito parcial para qualificacao ao Graude Mestre em Informatica pela PontifıciaUniversidade Catolica de Minas Gerais.

Prof.a Dr.a Raquel Aparecida de FreitasMini – PUC Minas (Orientadora)

Prof. Dr. Joao Guilherme Maia de Menezes– UFMG

Prof.a Dr.a Fatima de Lima ProcopioDuarte Figueiredo – PUC MINAS

Belo Horizonte, 17 de abril de 2020.

Para minha famılia

AGRADECIMENTOS

Sou grato a Deus antes de qualquer outra fonte de auxılio. Sua Palavra tem sido

fonte de sabedoria desde muito antes de eu existir, e tenho aprendido muito com ela

mesmo nos dias de hoje, e ainda ha muito o que aprender.

Pai, mae, irmaos e irma, sou muito grato e feliz por estar no meio de voces em toda

minha vida, e mesmo fisicamente distante, tenho a certeza de que posso dividir minhas

necessidades e minhas felicidades com voces, sei que sempre me socorrerao e se alegrarao

comigo.

A todos familiares, sem excecao (tios e tias, primos e primas, e etc), obrigado.

Voces participaram desta etapa, as vezes fisicamente presentes, as vezes via WhatsApp.

Fato e que os momentos que pude falar com voces foram momentos de genuına alegria.

Rukia e Bolinha, voces me alegraram e cuidaram de mim, provavelmente sem saber o

que estavam fazendo. Desculpe pelas vezes que gritei com voces, pretendo fazer isso por

muitos anos mais.

Agradeco a minha orientadora Raquel, pela paciencia e dedicacao mesmo no nosso

primeiro contato, quando era apenas a professora de P.A.A. Pude aprender como seu

aluno na graduacao, como orientado no trabalho de conclusao de curso da graduacao e

agora orientado no mestrado. Foram muitos anos de sofrimento nas suas maos, portanto,

muito obrigado.

Obrigado Felipe, pela oportunidade de conhece-lo. Pelo ensino como professor e

como coorientador. Obrigado pelo apoio, paciencia e amizade. Mais que um profissional

fundamental para o alcance deste objetivo, voce me apoiou em questoes pessoais e me

auxiliou em decisoes difıceis. Que Deus lhe recompense conforme seu coracao.

A todos envolvidos no Programa de Pos-Graduacao em Informatica, professores,

alunos e funcionarios, que por vezes chamaram minha atencao para detalhes importantes

da vida como um todo, muito obrigado.

“A simplicidade e o ultimo grau de sofistica-

cao.”

Leonardo Da Vinci

RESUMO

Redes veiculares (Vehicular Ad Hoc Networks - VANETs) sao um tipo de redes forma-

das por veıculos automotores com capacidade de comunicacao, processamento e sensoria-

mento. O objetivo destas redes e o aumento da seguranca e desempenho do transito no que

tange a sua eficiencia e a sua resiliencia, alem de prover entretenimento aos passageiros.

Aplicacoes nesses contextos permitirao que usuarios de vias urbanas ou rodovias ganhem

tempo e conforto em seus deslocamentos. Uma atividade demandada por aplicacoes em

redes veiculares e a atividade de disseminacao de dados. A disseminacao de dados pode

ser expressa como a capacidade de entrega de uma mensagem especıfica a um conjunto

de veıculos interessados na informacao. Na literatura, diversos estudos foram feitos sobre

o tema, em especial os que consideram, unicamente, o modo de comunicacao de veıculo

para veıculo (V2V). Entretanto, estudos recentes no ambito da disseminacao de dados

em redes veiculares, tem buscado dar suporte a coexistencia de multiplas tecnologias de

comunicacao sem fio para maximizar a utilizacao do recurso, estabilidade e robustes, pro-

vendo qualidade de servico na comunicacao entre os veıculos. Neste contexto, o presente

trabalho propoe o protocolo TBD (Trajectory Based Dissemination) que considera a uti-

lizacao de parte da infraestrutura existente nas cidades, a rede celular, como uma das

tecnologias de comunicacao sem fio dando suporte a comunicacao veicular no modo V2V,

a fim de desempenhar a entrega de mensagens em cenarios urbanos. Resultados de simu-

lacao, avaliados em cenarios de diferentes densidades, mostraram que e possıvel reduzir

em mais de 50% o numero de veıculos envolvidos na comunicacao, mantendo a taxa de

entrega superior a 90% dos veıculos interessados na informacao.

Palavras-chave: Redes Veiculares. Disseminacao de dados. Protocolo. Trajetoria.

ABSTRACT

Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) are a type of network formed by automotive

vehicles with communication, processing and sensing capabilities. The purpose of these

networks is to increase traffic safety and performance with regard to their efficiency and

resilience plus passenger entertainment. Applications in these two contexts will allow

users of urban roads or highways to gain time and comfort in their travels. One activity

demanded by applications in vehicular networks is the data dissemination activity. Data

dissemination can be expressed as the ability to deliver a specific message to a set of

vehicles interested in the information. In the literature, several studies have been done

on the subject, especially those that consider only the vehicle-to-vehicle (V2V) mode of

communication. However, more recent data dissemination studies in vehicular networks

have sought to support the coexistence of multiple wireless communication technologies

to maximize resource utilization, stability, and robustness, providing quality of service in

vehicle communication. In this context, the present work propose the TBD protocol that

make use of part of the existing infrastructure in cities, the cellular network, as one of the

wireless communication technologies supporting vehicular communication in V2V mode

to perform message delivery in urban scenarios. Simulation results evaluated in scenarios

of different densities showed that it is possible to reduce by more than 50 % the number of

vehicles involved in the communication, keeping the delivery rate above 90 % of vehicles

interested in the information.

Keywords: Vehicular Ad Hoc Network. Data Dissemination. Protocol. Trajectory.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – Mortes em acidentes de transito por 100 mil habitantes . . . . . . . . . . . . . 17

FIGURA 2 – Origem das mensagens em funcao da RoI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

FIGURA 3 – Ambiente de redes veiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

FIGURA 4 – Cenario de baixa densidade de veıculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

FIGURA 5 – Cenario de alta densidade de veıculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

FIGURA 6 – Taxonomia para divisao dos protocolos da literatura . . . . . . . . . . . . . . . 33

FIGURA 7 – Zona de Preferencia do protocolo GEDDAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

FIGURA 8 – Diferentes regioes do protocolo Geo-Orientado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

FIGURA 9 – Zona de preferencia do protocolo CARRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

FIGURA 10 – Zona de retransmissao do protocolo HyDiAck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

FIGURA 11 – Cenario para o qual aplica-se o TBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

FIGURA 12 – Matriz de densidades de veıculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

FIGURA 13 – Grafo com pesos nos vertices, convertidos em valores de arestas . . . . . 47

FIGURA 14 – Transmissao broadcast direcionada atraves do cone de retransmissao . 49

FIGURA 15 – Cenario de grid 2000 x 1000 metros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

FIGURA 16 – Intersecoes do grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

FIGURA 17 – Cenario de Belo Horizonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

FIGURA 18 – Cenario de Belo Horizonte com bloqueio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

FIGURA 19 – Grafico da taxa de entrega na ROI no cenario em grid . . . . . . . . . . . . . 60

FIGURA 20 – Grafico do numero de mensagens duplicadas no cenario em grid . . . . . 61

FIGURA 21 – Grafico do percentual de veıculos transmissores no cenario em grid . . 62

FIGURA 22 – Grafico do atraso medio no cenario em grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

FIGURA 23 – Grafico do numero de saltos no cenario em grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

FIGURA 24 – Taxa de entrega no interior da ROI no cenario de Belo Horizonte . . . 64

FIGURA 25 – Numero de mensagens duplicadas e percentual de veıculos transmissores 64

FIGURA 26 – Atraso medio na transmissao da mensagem e numero medio de saltos

ate a ROI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

LISTA DE TABELAS

TABELA 1 – Protocolos da literatura e suas caracterısticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

TABELA 2 – Resumo dos parametros de simulacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

TABELA 3 – Parametros de adaptacao do cone de retransmissao . . . . . . . . . . . . . . . . 58

TABELA 4 – Diferencas entre as solucoes adotadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

TABELA 5 – Fatores e valores assumidos nos dois nıveis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

TABELA 6 – Representacao adotada para exibicao dos resultados. . . . . . . . . . . . . . . . 68

TABELA 7 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta mensagens recebidas. 69

TABELA 8 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta mensagens trans-

mitidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

TABELA 9 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta colisoes de men-

sagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

AID - Adaptive Approach for Information Dissemination

CARRO - Context-Aware Routing Protocol

CPB - Clustering and Probabilistic Broadcasting

DDBC - Data Dissemination Protocol Based on Centrality

DV-CAST - Distributed Vehicular Broadcast

ERB - Estacao Radio Base

GEDDAI - Geographical Data Dissemination for Alert Information

GPS - Global Positioning System

IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers

ITS - Intelligent Transport Systems

LTE - Long Term Evolution

MANET - Mobile Ad-hoc Networks

OBU - Onboard Unit

OMNET++ - Objective Modular Network Testbed in C++

ROI - Region Of Interest

RSU - Road Side Unit

SUMO - Simulation of Urban Mobility

TA - Thrusted Authority

TBD - Trajectory-based Dissemination

TBF - Trajectory-based Forwarding

TEDD - Trajectory and Energy-based Data Dissemination

TLCB - Two-level Cluster Based

TTL - Time-to-Live

UV-CAST - Urban Vehicular Broadcast

V2I - Vehicle-to-Infrastructure

V2V - Vehicle-to-Vehicle

V2X - Vehicle-to-Everything

VANET - Vehicle Ad-hoc Networks

VEINS - Vehicles In Network Simulation

VISIONS - Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS Operational

Nodes and Services

VMASC - Vehicular Multihop Algorithm for Stable Clustering

VOV - Video Over VANETs

WHO - World Health Organization

WSN - Wireless Sensor Network

5GAA - 5G Automotive Association

SUMARIO

1 INTRODUCAO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1 Motivacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3 Organizacao da Dissertacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 FUNDAMENTACAO TEORICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.1 Redes Veiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2 Disseminacao de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.2 Problemas em Disseminacao de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2.3 Estrategias para Tratamento dos Problemas em Disseminacaode Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.4 Estrategia para Solucao do Problema de Particoes na Rede . . . . 28

2.3 Consideracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3 TRABALHOS RELACIONADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.1 Disseminacao em Curva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Disseminacao em Redes Veiculares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2.1 Disseminacao baseada em Informacoes a Bordo . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.2 Disseminacao baseada em Informacoes Locais . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2.1 Solucao para problema de particoes na rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.2.2 Nao solucao para problema de particoes na rede . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.3 Disseminacao baseada em Informacoes Globais . . . . . . . . . . . . . . 39

3.3 Consideracoes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4 DISSEMINACAO BASEADA EM TRAJETORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2 Participacao da Rede Celular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Transmissao direcionada via broadcast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.4 Funcionamento basico do protocolo TBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5 AVALIACAO DE DESEMPENHO E RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1 Simulacao do Protocolo TBD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1.2 Cenario de Simulacao em grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.1.3 Cenario de Belo Horizonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.1.4 Parametros de Simulacao para Cenario de grid . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.1.5 Parametros de Simulacao para Cenario de Belo Horizonte . . . . 57

5.1.6 Metricas de avaliacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.1.7 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1.7.1 Resultados para o cenario de Grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.1.7.2 Resultados para o cenario de Belo Horizonte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.2 Projeto Experimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.2.1 Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.2.2 Metodologia dos Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.2.3 Obtencao e Caracterizacao dos Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5.2.4 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

6 CONCLUSAO E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.1 Conclusao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

6.2 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

15

1 INTRODUCAO

1.1 Motivacao

Redes veiculares (Vehicular Ad Hoc Networks - VANETs) sao um tipo de redes

formadas por veıculos automotores com capacidade de comunicacao, processamento e

sensoriamento. Nessas redes, os nos podem ser carros, onibus, motos e outros veıculos

com interface de comunicacao sem fio. Esses nos podem obter dados atraves da comu-

nicacao com outros veıculos (Vehicle-to-Vehicle - V2V), com infraestruturas (Vehicle-to-

Infrastructure - V2I) ou ainda atraves da Internet. Essas redes tem sido objeto de varios

estudos e nos ultimos anos o termo redes veiculares pode ser utilizado para referir-se a um

conjunto de tecnologias de comunicacao sem fio que utilizadas conjuntamente promovem

qualidade de comunicacao entre veıculos (CHEN et al., 2017). Este conjunto de tecnolo-

gias engloba as unidades de comunicacao a bordo dos veıculos (on-board units - OBU), a

infraestrutura das cidades e rodovias (roadside units - RSU) e as redes celulares que po-

dem ser referidas como LTE (Long Term Evolution), LTE-Advanced e futuras redes 5G.

As redes veiculares apresentam grande potencial em oferecer melhorias nos servicos de

transporte, trafego seguro e entretenimento, alem da contribuicao para o desenvolvimento

de cidades inteligentes (JALOOLI; SONG; WANG, 2019).

Diferentes aplicacoes em redes veiculares apresentam diferentes requisitos da rede,

no entanto, apresentam em comum a necessidade de um servico para a entrega de men-

sagens aos nos de interesse da aplicacao. Algumas aplicacoes podem ter como objetivo

atingir apenas alguns nos, que estao no interior de uma regiao de interesse (Region of

Interest - ROI), enquanto outras aplicacoes podem apresentar a necessidade de entregar

a mensagem em toda a cidade. Por exemplo, numa aplicacao comercial, pode interessar a

um comerciante que os motoristas num raio de alguns quilometros saibam da ocorrencia

de evento promocional nos proximos minutos, mas nao e seu objetivo que essa mensagem

alcance o outro lado da cidade. Por outro lado, numa aplicacao de seguranca pode inte-

ressar a todos envolvidos num determinado evento que a informacao seja alcancada por

um numero esperado de veıculos, cujos condutores podem se envolver em alguma especie

de risco. Por exemplo, uma aplicacao de seguranca que emite uma notificacao rapida de

um acidente de transito em uma rodovia permitiria que os motoristas proximos se deslo-

16

cassem com cautela. Os mais distantes seriam capazes de mudar sua trajetoria a fim de

evitar um congestionamento, e os servicos de urgencia poderiam ser alertados a iniciarem

os trabalhos de deslocamento antes que uma ligacao telefonica os acionasse. O servico

descrito e chamado de disseminacao de dados e consiste no envio de mensagens a partir

de uma fonte para todos os veıculos localizados dentro de uma regiao geografica (CUNHA

et al., 2014). A disseminacao de dados tem como objetivo alcancar muitos nos da rede

numa ROI, com uma baixa latencia na transmissao, reduzindo o numero de mensagens

duplicadas alem do nao envolvimento de veıculos nao interessados na mensagem.

A seguranca no transito e um dos principais aspectos em que as redes veiculares

beneficiara os condutores de veıculos. As aplicacoes neste sentido dependem da ativi-

dade de disseminacao de dados, por este motivo, o tema tem sido bastante estudado pela

comunidade cientıfica. Em 2013, a Organizacao Mundial de Saude publicou um relato-

rio (W.H.O., 2013) que apresenta o atual estado global da seguranca no transito. De

acordo com o relatorio, cerca de 1,24 milhao de pessoas morrem em acidentes de transito

todos os anos. Conforme o grafico da Figura 1, o numero e maior na regiao africana e

menor na regiao europeia. Garantir a entrega de notificacoes de seguranca em tempo

habil apresenta potencial para uma grande reducao nestes numeros. Um estudo apresen-

tado em (TOOR et al., 2008) mostrou que aplicacoes de seguranca em redes veiculares

podem reduzir acidentes em cerca de 60% se capazes de informar aos condutores acerca

dos eventos com cerca de 0,5 segundo de antecedencia. A disseminacao de dados e a tarefa

que se propoe a informar aos condutores em tempo suficiente para a tomada de decisoes

relacionadas a informacao transmitida, o que pode reduzir drasticamente a quantidade de

acidentes.

Diversas propostas de protocolos para disseminacao de dados tem sido apresen-

tadas na literatura e buscam tratar problemas em cenarios urbanos e de rodovias, de

diferentes densidades. Mais recentemente, com o advento das redes de 5a Geracao e os

novos recursos de comunicacao voltados para as redes veiculares, um problema que surge

e a integracao das tecnologias existentes com as novas, o que permitira um avanco factıvel

para implantacao das redes veiculares, fornecendo condicoes para o desenvolvimento das

aplicacoes cruciais para melhoria da seguranca no transito.

No que tange a cenarios reais, em uma aplicacao de seguranca, um veıculo de

emergencia pode precisar comunicar-se com uma regiao geografica local de acidente e nao

necessariamente estar no interior da regiao de interesse, embora a caminho. Numa outra

aplicacao, de melhoria do desempenho do trafego, pode-se necessitar da comunicacao entre

distantes regioes geograficas para obter informacoes de densidade do trafego, contribuindo

para a melhor escolha de rotas para os condutores de veıculos. Mesmo em aplicacoes de

prioridade inferior, como aplicacoes comerciais de propaganda, um evento que ocorre num

lado da cidade pode interessar veıculos/condutores de regioes mais distantes, que nao

17

Figura 1 – Mortes em acidentes de transito por 100 mil habitantes

Fonte: Adaptada pelo Autor de (W.H.O., 2013)

conhecem a informacao.

Assim sendo, este trabalho se propoe a apresentar o protocolo de disseminacao

de dados TBD (Trajectory Based Dissemination) que utiliza infraestrutura existente na

cidade para efetuar a disseminacao de mensagens independente de sua origem, consu-

mindo menos recursos de rede e alcancando apenas os veıculos realmente interessados na

mensagem.

1.2 Objetivo

O objetivo deste trabalho e desenvolver um protocolo de disseminacao de dados

capaz de entregar mensagens aos veıculos interessados ainda que a origem da mensagem

nao esteja na regiao de interesse. A Figura 2 ilustra este objetivo, em que On representam

diferentes origens de mensagens num dado cenario em redes veiculares e a regiao demar-

cada em verde representa a regiao de interesse. O protocolo ira integrar comunicacao

V2V e a comunicacao V2I em uma abordagem que utiliza a rede celular, infraestrutura

atualmente existente nas cidades, para a obtencao de informacoes sobre as densidades de

veıculos nos diferentes locais do mapa. A densidade e obtida atraves das submissoes feitas

por cada veıculo, em intervalos de tempo definidos, de suas coordenadas geograficas para

um servidor, cujo acesso e feito pela comunicacao via rede celular. As principais carac-

18

terısticas deste protocolo sao a utilizacao da rede celular para estimar com precisao as

densidades de veıculos no mapa e a utilizacao dessa informacao de densidade para definir

o caminho que a mensagem a ser disseminada deve percorrer ate a regiao de interesse.

Alem disso, este trabalho se propoe a identificar e a analisar fatores que impactam

o desempenho da disseminacao de dados considerando as metricas de taxa de mensagens

transmitidas e a taxa de mensagens recebidas.

Figura 2 – Cenario em que diferentes locais origens de mensagens (On) devemalcancar os veıculos numa regiao de interesse

Fonte: Proprio Autor

1.3 Organizacao da Dissertacao

Esta dissertacao esta organizada da seguinte forma: no Capıtulo 2 e apresentado o

referencial teorico abordando a disseminacao de dados em redes veiculares e seus proble-

mas classicos. O Capıtulo 3 apresenta alguns trabalhos relacionados e alguns detalhes das

estrategias implementadas. O Capıtulo 4 apresenta a solucao proposta neste trabalho.

No Capıtulo 5 sao apresentados os parametros de simulacao, as metricas e os resultados

da avaliacao do protocolo. Por fim, o Capıtulo 6 apresenta a conclusao do trabalho e

consideracoes para trabalhos futuros.

19

2 FUNDAMENTACAO TEORICA

Este capıtulo foi dividido em duas partes: a Secao 2.1 introduz o assunto redes

veiculares e suas aplicacoes, em seguida a Secao 2.2 descreve a atividade de disseminacao

de dados em redes veiculares, seus problemas classicos e situacoes em que ocorrem.

2.1 Redes Veiculares

As redes ad-hoc veiculares (vehicular ad-hoc networks - VANETs) ou simplesmente

redes veiculares, sao redes formadas por veıculos automotores, equipados com dispositivo

de comunicacao sem fio com capacidade de processamento e sensoriamento. Redes veicu-

lares sao um topico em sistemas de transporte inteligente (Intelligent Transport Systems -

ITS) alvo de grande interesse da comunidade academica em razao do seu enorme potencial

em prover aplicacoes de conforto e seguranca aos condutores de veıculos. Pode-se defi-

nir as redes veiculares como auto-organizadas redes distribuıdas de veıculos que coletam,

armazenam, processam e distribuem informacoes que podem ser utilizadas em aplicacoes

de conforto e seguranca para motoristas e passageiros (LU; QU; LIU, 2019; SHARMA;

AWASTHI, 2018).

Como descrevem os autores de (LU; QU; LIU, 2019), essas redes sao compostas

primariamente por unidades a bordo dos veıculos (onboard units - OBUs), unidades esta-

cionarias ao longo das vias (roadside units - RSUs) e uma autoridade confiavel (trusted

authority - TA), responsavel pela autenticidade e seguranca na comunicacao. Os veıcu-

los sao equipados com OBUs, dispositivo que os permite processamento, sensoriamento,

comunicacao com outros veıculos na rede e armazenamento de informacoes. As RSUs

sao unidades com a mesma capacidade de comunicacao, sensoriamento e processamento

que as OBUs e que contribuem para o aumento do alcance das redes veiculares alem de

conectar a rede de veıculos com a Internet atraves da rede infraestruturada.

As grandes vantagens dessas redes sao elencadas por (ONISHI, 2018) como sendo:

(i) baixa latencia na comunicacao e, (ii) a nao necessidade de infraestrutura. Entretanto,

o atual contexto dos estudos em tecnologias de comunicacao conduzem as redes veiculares

a integracao com as redes de 5a Geracao (5G) que apresentam a necessidade de lidar

com 1000 vezes mais trafego que hoje alem da conexao de 50 a 100 bilhoes de dispositi-

20

vos com taxas de transmissao na ordem de 10 Gbps apresentando latencia muito baixa,

confiabilidade e disponibilidade muito altas (AMGOUNE; MAZRI, 2018).

As redes veiculares, enquanto lidam apenas com a comunicacao entre veıculos,

tem seu alcance de dispositivo de comunicacao sem fio influenciado, por exemplo, pela

presenca de edifıcios, arvores e ate mesmo outros veıculos. Esta e uma das caracterısticas

que identificam as redes moveis (Mobile Ad Hoc Networks - MANETs), das quais as redes

veiculares sao uma subclasse especial. Embora seja uma subclasse das MANETs, as redes

veiculares apresentam caracterısticas que a torna unica, carente de tratamento especial

pela natureza da(s):

• Dimensao: as redes veiculares sao limitadas pelos espacos das vias, logo, seu tama-

nho em termos de espaco nao deve exceder o mapa da cidade ou extensao da rodovia,

alem disso, as conexoes tendem a ser orientadas pelas vias, onde obrigatoriamente

os nos se encontram;

• Alta mobilidade dos nos: diferente das MANETs, os nos em redes veiculares

apresentam velocidades muito altas, o que provoca sucessivas mudancas na lista de

nos vizinhos;

• Topologia dinamica: as caracterısticas de dimensao aliadas a alta mobilidade dos

nos faz com que as redes veiculares, embora permanecam com tamanho semelhante,

sofram mudancas topologicas constantemente, ou seja, os veıculos podem entrar e

sair da rede em um tempo muito curto alem de estabelecerem conexoes com outros

novos veıculos a todo instante de tempo;

• Desconexoes constantes: a alta mobilidade dos nos em ambientes onde a den-

sidade de veıculos e baixa faz com que os veıculos constantemente se desconectem

da rede, impedindo a comunicacao efetiva. Devido a alta velocidade dos veıculos e

o alcance do dispositivo de comunicacao, a duracao de uma conexao pode variar de

poucos segundos a alguns minutos; O padrao IEEE 802.11p estabelece mudancas que

agilizam de maneira significativa o processo de conexoes e desconexoes, viabilizando

as redes veiculares;

• Comunicacao por broadcast : os esforcos primarios em redes veiculares se concen-

tram no modo de comunicacao V2V. Neste modo de comunicacao as mensagens sao

transmitidas via broadcast, ou seja, um veıculo ao emitir uma mensagem alcanca

todos os veıculos que estejam dentro do alcance de seu dispositivo de comunicacao.

A forma de reduzir o numero de veıculos alcancados encontra-se na diminuicao do

raio do dispositivo de comunicacao, o que limita a comunicacao aos veıculos mais

proximos;

21

• Escalabilidade: as redes veiculares apresentam um potencial de crescimento muito

grande, proporcional a populacao de veıculos nas vias, ou seja, cidades com vias

extensas e muitas faixas tendem a apresentar um numero de veıculos muito grande.

Conforme aumenta a densidade de veıculos, aumenta-se o numero de conexoes e a

necessidade de gestao otimizada dos recursos de rede;

• Nao-restricao de energia: em contraste com as MANETs tradicionais, as redes

veiculares nao apresentam a limitacao energetica pois a queima de combustıvel nos

veıculos sao a propria fonte de energia. Esta e uma diferenca significativa das VA-

NETs para com as MANETs, uma vez que trata-se de uma das maiores limitacoes

das redes moveis.

• Capacidade de processamento e sensoriamento: alem da capacidade de co-

municacao, os veıculos apresentam capacidade de processamento e sensoriamento.

As redes veiculares podem processar informacoes fornecidas pelos proprios sensores,

contribuindo para aplicacoes que dao seguranca e informacao aos condutores;

• Interacao com a Internet: apesar dos esforcos primarios serem na comunicacao

V2V, os veıculos podem interagir com a Internet atraves da comunicacao via rede

celular e da comunicacao com a infraestrutura das cidades;

Figura 3 – Exemplo de ambiente de redes veiculares

Fonte: (GONCALVES, 2017)

22

A Figura 3 exemplifica um ambiente de redes veiculares. Neste ambiente, os veıcu-

los podem se comunicar atraves da comunicacao V2V alem da possibilidade de comunicar-

se com a infraestrutura existente na cidade, que por sua vez conecta-se a Internet. A exis-

tencia de edifıcios e arvores podem ser obstaculos que limitam o alcance do dispositivo de

comunicacao.

Em ambientes como o exemplificado na Figura 3 pode-se apresentar dois cenarios

distintos em redes veiculares. Num primeiro cenario, de baixas densidades de veıculos,

os nos apresentam-se provavelmente mais distantes. Alem dos veıculos se encontrarem

menos, o que proporciona um numero menor de conexoes, eles tem liberdade para alcan-

carem velocidades mais altas, o que provoca conexoes por tempos mais curtos que a media

(desconexoes mais constantes).

Num segundo cenario, de altas densidades de veıculos, os nos aglomeram-se mais

facilmente devido as restricoes espaciais. Alem disso, movem-se mais lentamente, permi-

tindo conexoes mais longas entre si, apesar de serem naturalmente curtas. Este cenario e

facilmente percebido em horarios de pico, durante o inıcio da manha e o fim da tarde de

dias uteis, caracterizado pelos constantes congestionamentos.

Os cenarios e os ambientes de redes veiculares podem apresentar aos condutores

a necessidade de aplicacoes que contribuem para a seguranca, desempenho do transito e

entretenimento. No aspecto da seguranca, um dos principais em que as redes veiculares

pode beneficiar, sao esperadas aplicacoes como as seguintes:

• Prevencao de acidentes: a comunicacao previa entre os veıculos na via pode permitir

que os veıculos, de forma automatica ou nao, recebam comandos de parada, reducao

de velocidade, desvio, e etc.

• Gestao de acidentes e resgates: enquanto um acidente normalmente exige uma liga-

cao para acionamento de servicos de urgencia, com as redes veiculares essa comuni-

cacao pode acontecer de maneira automatica, por meio da identificacao do sinistro

atraves dos sensores e da comunicacao direta com os canais de emergencia;

• Alertas diversos: talvez uma das aplicacoes mais simples em redes veiculares, ca-

paz de informar os condutores sobre as condicoes da pista, mudancas climaticas e

quaisquer situacoes de risco;

Alem das aplicacoes voltadas para a seguranca no transito, tambem fala-se bastante

em melhoria no desempenho do transito. Talvez esteja nesta lista as aplicacoes que mais

apresentam melhoria na vida das pessoas, promovendo o conforto em tarefas diarias que

envolvem deslocamentos:

23

• Controle de congestionamento: os congestionamentos ocorrem devido as restricoes

espaciais da via e o aumento da densidade de veıculos. Diariamente muitos cida-

daos passam por rotinas de longas esperas em congestionamentos que, atraves da

comunicacao, poderiam ser evitados. Enquanto as aplicacoes de auxılio a bordo

contribuem para encontrarmos o caminho mais curto e nos mostram com precisao o

mapa da cidade, a mesma informacao alcanca a todos seus usuarios. Este modo de

ser auxiliado a bordo faz com que os usuarios utilizem as mesmas vias com o ledo

engano de estar chegando mais rapido, afinal, trata-se do caminho mais curto. A

comunicacao pode permitir uma melhor distribuicao dos veıculos nas vias, de forma

que congestionamentos sejam evitados.

• Adaptacao de semaforos: o conhecimento das densidades de veıculos obtido atraves

da comunicacao em redes veiculares permite uma melhor gestao semaforica. Vias

onde nao existem veıculos parados nao precisam sequer que o semaforo abra para

veıculos. No caso de existirem poucos veıculos, um minuto pode ser tempo demais,

provocando ocio numa pista extremamente movimentada.

• Reducao de consumo e controle de emissao de CO2: a presenca de sensores nos

veıculos aliada a comunicacao entre os veıculos permite aos condutores uma melhor

gestao dos recursos. Alem do proprio veıculo ser uma fonte de informacoes, na qual

o condutor apoia suas decisoes sobre como dirigir, a escolha das vias em funcao de

inclinacoes e congestionamentos permite uma reducao no consumo de combustıvel

(custo financeiro) e consequentemente na diminuicao de emissao de CO2.

Aplicacoes voltadas para entretenimento e consumo tambem se aproveitam da co-

municacao em redes veiculares. As propagandas de produtos e servicos ao longo dos

deslocamentos alem de servicos de streaming de audio e vıdeo permitem aos condutores e

passageiros usufruırem dos recursos que a cidade/rodovia oferecem.

2.2 Disseminacao de Dados

2.2.1 Introducao

As aplicacoes em redes veiculares apresentam alguns requisitos para sua implemen-

tacao. Dentre as atividades requisitadas esta a atividade de disseminacao de dados. A

disseminacao de dados consiste no envio de mensagens a partir de uma fonte para todos

os veıculos localizados dentro de uma regiao geografica (CUNHA et al., 2014). A dissemi-

nacao de dados tem como objetivo alcancar muitos nos da rede numa regiao de interesse

(Region of Interest - ROI), com uma baixa latencia na transmissao.

24

A forma mais simples conhecida para disseminacao de dados em redes veiculares

e atraves do algoritmo de flooding, como mostrado por (TSENG et al., 2002). Neste

algoritmo, um veıculo fonte S inicia a transmissao de uma mensagem m a todos os veıculos

no raio de alcance do seu dispositivo de comunicacao. Cada veıculo alcancado por S efetua

a retransmissao de m tambem a todos que estao em seu alcance. Estas retransmissoes

ocorrem sucessivamente ate que a rede seja inundada com os pacotes.

A abordagem de flooding e muito simples diante desta importante atividade no

contexto das redes veiculares, tanto para o entendimento quanto para a implementacao.

Entretanto, esta abordagem tambem e bastante didatica no que tange aos problemas

classicos da disseminacao de dados.

2.2.2 Problemas em Disseminacao de Dados

A utilizacao do algoritmo de flooding para a disseminacao de dados apresenta pro-

blemas nos dois cenarios apresentados na Secao 2.1. No primeiro deles, o cenario de baixas

densidades de veıculos, a rede apresenta caracterısticas como alta mobilidade dos veıcu-

los, menor numero de conexoes devido ao numero reduzido de veıculos, desconexoes mais

constantes e consequentemente um particionamento da rede. Este problema e denominado

na literatura como problema de conexoes intermitentes (intermittently connected network

problem) (SPYROPOULOS; PSOUNIS; RAGHAVENDRA, 2008), ou apenas problema

de particoes na rede.

Em cenarios de baixas densidades de veıculos, o comportamento do algoritmo de

flooding nao ocorre em sua totalidade devido as premissas assumidas pelo mecanismo.

Para que ocorra a inundacao da rede com a mensagem, faz-se necessario que a rede esteja

completamente conectada, assim, cada no executara de maneira satisfatoria o papel de

encaminhar a mensagem. As particoes existentes na rede fazem com que a mensagem se

perca e veıculos em particoes diferentes da rede nao tomem conhecimento.

Por outro lado, em cenarios de alta densidades de veıculos a rede apresenta outras

caracterısticas. Por exemplo, os veıculos nao tem a liberdade de moverem-se tao rapida-

mente quanto em cenarios de baixa densidade pois a via permanece com suas restricoes

espaciais encontra-se mais ocupada (existem mais veıculos na via). Estes deslocamentos

nao tao rapidos aliados a um numero maior de veıculos faz com que se aglomerem mais fa-

cilmente, permitindo um numero maior de conexoes. Devido a forma de comunicacao em

redes veiculares ser primariamente via broadcast, uma emissao de mensagens num cenario

denso como o descrito anteriormente faz com que muitos nos recebam a mensagem.

Quando em redes veiculares tem-se um cenario denso de veıculos, ocorre a formacao

de diversos subgrafos completos. Grafos (ou subgrafos) completos sao aqueles em que

25

todos os nos se conectam com todos. O problema da forma de disseminar mensagens

em redes veiculares pela abordagem do algoritmo de flooding numa rede que represente

um grafo completo esta no numero de mensagens transmitidas e na ocupacao do meio de

comunicacao.

A Figura 4 nao parece apresentar nenhum problema. Enquanto o numero de nos

na rede permanecer pequeno, como ocorre em cenarios de baixas densidades de veıculos,

realmente o problema e minimizado. No entanto, o que acontece com a abordagem do

algoritmo de flooding para o cenario da Figura 5?

Figura 4 – Exemplo de cenario com baixa densidade de veıculos

Fonte: Simulador de redes OMNET++

Assim que o primeiro veıculo receber a mensagem a ser disseminada, fara o enca-

minhamento a todos os veıculos que estejam em seu alcance (um numero relativamente

grande), estes veıculos por sua vez farao o mesmo, retransmitindo a mensagem sucessiva-

mente ate que todos a encaminhem. Estudos iniciais em redes sem fio mostraram que uma

retransmissao alcanca menos de 45% de nova area em relacao a transmissao anterior con-

siderando o alcance dos dispositivos de comunicacao como cırculos perfeitos (TSENG et

al., 2002). Este numero sugere que mais de 55% da area alcancada por uma retransmissao

ja havia recebido a mensagem. Em um grafo completo, o numero de retransmissoes feitas

e equivalente ao numero de vertices, ou seja, o numero de mensagens que cada um dos nos

recebe e equivalente ao numero de vizinhos. Como estamos lidando com a transmissao de

uma mensagem que ao ser recebida vai ser processada por uma aplicacao de rede veicular,

faz-se necessario recebe-la apenas uma vez.

A quantidade de mensagens transmitidas pela abordagem de flooding e muito

grande, muitas delas desnecessarias pois alcancam veıculos que ja conhecem a mensagem,

26

provoca um numero elevado de colisoes de pacotes em razao dos muitos veıculos proximos

se comunicando simultaneamente, congestiona o meio de comunicacao e eventualmente

provoca interrupcao de servico na camada de controle de acesso ao meio (WILLIAMS;

CAMP, 2002). Este problema e conhecido na literatura como tempestade de broadcast ou

broadcast storm problem. Apesar de apresentar estas dificuldades, o algoritmo de flooding

possui diversas estrategias de tratamento que corrigem falhas.

Figura 5 – Exemplo de cenario com alta densidade de veıculos

Fonte: Simulador de redes OMNET++

Em resumo, entende-se que em cenarios densos de veıculos existe a necessidade de

tratamento do problema de broadcast storm, por outro lado, em cenarios esparsos, com

baixa densidade de veıculos, existe a necessidade de tratamento do problema de particoes

na rede. Muitas solucoes para disseminacao de dados em redes veiculares apresentam

propostas para os dois cenarios de forma adaptativa, de forma que em baixas densidades

de veıculos opera-se num modo A e para altas densidades de veıculos num modo B.

2.2.3 Estrategias para Tratamento dos Problemas em Disseminacao deDados

Em (TSENG et al., 2002) foram apresentadas varias estrategias para tratamento

do problema de broadcast storm. Algumas delas bastante encontradas em outras propostas

mais elaboradas, de forma hıbrida, sao apresentadas a seguir:

• Probabilistic Scheme: esta classe de solucoes explora a probabilidade como uma

forma intuitiva de reduzir o numero de retransmissoes. Define-se que os veıculos

tenham uma probabilidade P de efetuarem retransmissoes, dessa forma veıculos

27

mais interessantes para retransmissoes recebem P mais proximo de 1. Nota-se que

quando P = 1 para todos os veıculos, o mecanismo se comporta como o algoritmo

de flooding.

• Counter-Based Scheme: este mecanismo de transmissao explora o conhecimento que

os veıculos tem das retransmissoes feitas por seus vizinhos. Enquanto um veıculo

aguarda para retransmitir uma mensagem, ele pode receber a mesma mensagem

repetidas vezes de seus vizinhos. Atraves da definicao de um limiar k ideal, se

o veıculo recebe a mensagem que quer retransmitir k vezes antes de retransmitir,

cancela sua retransmissao. Isso ocorre devido a percepcao de que sua retransmissao

nao trara benefıcio algum para a rede. Estudos recentes mostraram que nao ha

benefıcio em definir valores de k superiores a 4.

• Distance-Based Scheme: neste esquema, os veıculos utilizam a distancia relativa

entre eles para a tomada de decisao sobre a retransmissao. Dado que uma fonte S

efetua a transmissao de uma mensagem e um veıculo V recebe esta mensagem, V

verifica sua distancia de S. Enquanto mais proximo de S, menor a cobertura adicional

de V, o que leva a crer que uma retransmissao nao alcancara muitos novos veıculos.

Em contrapartida, veıculos distantes terao uma cobertura adicional superior, o que

e uma caracterıstica interessante para um bom retransmissor.

• Location-Based Scheme: o conhecimento preciso da localizacao dos veıculos pode

garantir melhor conhecimento a respeito de suas coberturas adicionais, informacao

fundamental para a tomada de decisao acerca de qual melhor retransmissor de uma

mensagem. A localizacao pode ser obtida pela utilizacao de dispositivos GPS (Global

Positioning System).

• Cluster-Based Scheme: esta abordagem aproveita-se do agrupamento de veıculos

para a escolha de melhores retransmissores e parte do pressuposto que os veıculos

conhecem seus vizinhos mais proximos. Define-se que atraves das conexoes exis-

tentes entre os vizinhos, o de maior grau e o cluster-head. Alem disso, os veıculos

que conectam clusters distintos sao chamados gateways e por fim, os veıculos nao

cluster-heads ou gateways sao cluster-members. Nesta estrategia os cluster-heads

sao naturalmente melhores retransmissores de mensagens em virtude de apresenta-

rem uma conectividade maior no interior de um cluster. A tarefa de disseminar e

tambem entregue aos gateways que carrega a mensagem para os clusters vizinhos.

• Delay-Based Scheme: no problema de broadcast storm o excesso de retransmissoes ao

mesmo tempo e o nucleo dos efeitos negativos. Uma possibilidade para tratamento

deste problema e a definicao de tempos de espera aleatorios para as retransmissoes.

Desta forma, ao receber uma mensagem o veıculo devera aguardar um tempo alea-

28

torio antes de retransmiti-la. Esta e uma possıvel variacao do mecanismo de flooding

que consegue reduzir a dimensao do problema, mas nao o resolve por completo.

2.2.4 Estrategia para Solucao do Problema de Particoes na Rede

Embora haja um grande numero de estrategias para mitigar os problemas de broad-

cast storm, apenas uma solucao tem sido praticada na literatura para solucao do problema

de particoes na rede.

Os trabalhos encontrados na literatura que apresentam solucao para o problema de

particoes na rede utilizam de um recurso de redes veiculares nao disponıvel na implemen-

tacao do algoritmo de flooding. O recurso utilizado e denominado beacon e consiste em

pacotes menores, transferidos periodicamente para os nos vizinhos, carregando informa-

coes de contexto. A solucao encontrada na literatura utiliza beacons para conhecimento

da vizinhanca proxima bem como para ter conhecimento das mensagens que os vizinhos

dispoe em sua memoria. Dessa forma, em cenarios de baixas densidades de veıculos, os

vizinhos podem obter uns dos outros as informacoes de mensagens com tempo de vida

que sao do interesse e que ainda nao tiveram acesso. Os veıculos que possuem a mensa-

gem carregam-na enquanto houver tempo de vida, dessa forma, uma vez que a mensagem

e perdida pelo mecanismo de disseminacao padrao, nao e impossibilitada de alcancar

os veıculos em componentes isolados. Este mecanismo e conhecido na literatura como

store-carry-forward.

2.3 Consideracoes

Neste capıtulo as redes veıculares foram introduzidas com maior nıvel de detalhes

e apresentadas caracterısticas que as diferenciam das redes moveis tradicionais, das quais

as redes veiculares sao uma subclasse especial. Em virtude. Tambem foi detalhada a

atividade de disseminacao de dados, servico necessario para os diversos tipos de aplicacoes

em redes veiculares.

No que tange a disseminacao de dados, dois problemas principais afetam o desem-

penho de protocolos de disseminacao de dados, sendo eles conhecidos pela densidade de

veıculos. Em cenarios com baixas densidades de veıculos, o problema de particoes na rede

fica evidente, por outro lado, em cenarios com altas densidades de veıculos, evidencia-se

o problema de broadcast storm. Diferente do problema de particoes na rede que apre-

senta escasses de solucoes na literatura, o problema de broadcast storm pode ser mitigado

implementando-se diversas estrategias basicas, sozinhas ou em formas combinadas.

Na solucao proposta neste trabalho, foram utilizadas as estrategias basicas para

tratamento do problema de broadcast storm denominadas counter-based scheme, distance-

29

based scheme e delay-based scheme, e por se tratar de uma solucao para altas densidades

de veıculos, nao apresenta solucao para o problema de particoes na rede.

30

3 TRABALHOS RELACIONADOS

Este capıtulo apresenta os trabalhos que mais se relacionam com a proposta desta

dissertacao, partindo de trabalhos que implementam encaminhamento de pacotes por

meio de trajetorias ate os trabalhos da literatura que resolvem problemas de dissemi-

nacao de dados em redes veiculares. Sao apresentadas solucoes mais elaboradas que as

introduzidas no Capıtulo 2 que se propuseram a resolver os problemas classicos da dissemi-

nacao. Ao final deste capıtulo serao feitas consideracoes acerca dos trabalhos apresentados

relacionando-os ao trabalho proposto nesta dissertacao.

3.1 Disseminacao em Curva

Conforme introduzido no Capıtulo 2, as redes veiculares sao uma subclasse especial

das redes moveis, nas quais estao inseridas as redes de sensores sem fio (Wireless Sen-

sor Networks - WSNs). Conhecer formas originarias de disseminacao de dados nas redes

moveis como um todo tem o potencial de prover insights para o desenvolvimento de proto-

colos em redes veıculares, razao considerada suficiente para o presente aprofundamento. A

atividade de disseminacao de dados foi enderecada primeiramente nas WSNs, no entanto,

essas redes apresentam caracterısticas diferentes das redes veiculares, especialmente no

que se refere a disponibilidade energetica.

A topologia das redes de sensores sofre alteracoes constantes devido a nos com

pouca capacidade energetica que entram em modo de hibernacao apos coleta de informa-

coes, tecnica que extende o tempo de atividade do no. Neste cenario, os protocolos de

roteamento que se baseavam na escolha de nos para desempenhar o encaminhamento de

pacotes apresentavam dificuldades nas avaliacoes de desempenho. Eis que os autores de

(NICULESCU; NATH, 2003) propuseram o protocolo TBF (Trajectory based forwarding),

em que a atividade de encaminhar pacotes nao e mais designada a nos especıficos e sim a

regioes. O protocolo define uma trajetoria por onde o pacote deve passar e nessa trajetoria

os nos mais indicados para a tarefa de encaminhamento do pacote o fazem, de tal forma

que nos especıficos nao sejam mais responsaveis pela tarefa, cuja falha impediria que o

pacote chegasse ao destino.

Em uma abordagem que alia os princıpios explorados no TBF ao conhecimento

31

do mapa de energia, os autores de (MACHADO et al., 2005) propuseram o protocolo

TEDD (Trajectory and energy-based data dissemination). O mapa de energia consiste

nas informacoes de disponibilidade energetica de cada no que compoe a rede, permitindo

que uma visao global possa identificar as regioes mais disponıveis bem como as regioes

mais carentes de energia. Semelhantemente ao TBF, a proposta do protocolo TEDD

e determinar uma trajetoria nao vinculada a nos especıficos, que explore regioes com

nıveis de energia mais altos, ou seja, com menor chance de apresentar falhas por falta de

energia. Os autores dividem o processo em duas partes: (a) a primeira e um algoritmo

que gera trajetorias que passam por regioes com nıveis mais altos de energia e se esquiva

de regioes com baixos nıveis de energia. A ideia e selecionar conjuntos de nos que sao

mais indicados para a tarefa de disseminacao e encontrar o melhor conjunto de curvas que

passam por estes nos, (b) um novo mecanismo de encaminhamento de pacotes baseado

no receptor. Os autores destacam que o protocolo TEDD melhora o protocolo TBF em

dois pontos, eliminando a necessidade de manter uma tabela de vizinhos e apresentando

um comportamento mais robusto em cenarios com topologias dinamicas.

Tal como as redes de sensores sem fio, as redes veiculares tambem apresentam

dinamicidade na topologia, no entanto pela caracterıstica movel dos nos e nao por sua

capacidade energetica. Apesar do motivo, essa rede tambem apresenta diferentes densi-

dades em diferentes regioes, sugerindo que o mecanismo de definicao de trajetorias por

regioes densas apresenta semelhante potencial para melhoria de desempenho na tarefa de

disseminacao de dados.

3.2 Disseminacao em Redes Veiculares

A atividade de disseminacao de dados em redes veiculares pode ser confundida

na literatura com a atividade de roteamento. Em (AHMAD; SHCHERBAKOV, 2018)

os autores definiram protocolos de roteamento como sendo um conjunto de regras que

determinam o metodo de conexao entre os nos e como distribuem dados entre eles. A tarefa

basica de um protocolo de roteamento, conforme os autores, e encontrar um caminho otimo

para comunicacao entre nos. Em (SALEH; HASSON, 2019), em um extenso trabalho

acerca de protocolos de roteamento, os autores dividem os protocolos em unicast routing

e broadcast routing. Neste trabalho, broadcast routing trata-se, em resumo, da entrega de

uma mensagem a um conjunto de nos interessados na informacao, definicao equivalente a

de disseminacao de dados dada por (CUNHA et al., 2014).

A grande maioria dos trabalhos propostos para roteamento e disseminacao de da-

dos em redes veiculares encontrados na literatura exploraram o modo de comunicacao

V2V e V2I. Conforme introduzido no Capıtulo 2, dois problemas classicos para esses pro-

tocolos sao caracterizados pela quantidade de veıculos existentes nos cenarios, ou seja, sao

32

caracterizados pela densidade de veıculos. Basicamente, em cenarios de alta densidade

de veıculos, existe a necessidade de tratamento do problema de broadcast storm, e em

cenarios de baixa densidade de veıculos existe a necessidade de tratamento do problema

de particoes na rede. Alem disso, as solucoes que tratam ambos os problemas, comu-

mente implementam algum criterio para alternancia entre as densidades, estabelecendo

um limite que separa baixas densidades de altas densidades de veıculos.

Ainda no Capıtulo 2, foram introduzidas algumas abordagens estatısticas para

tratamento do problema de broadcast storm que sao melhorias no algoritmo de flooding,

sao elas: Probabilistic Scheme, Counter-Based Scheme, Distance-Based Scheme, Location-

Based Scheme, Cluster-Based Scheme e Delay-Based Scheme. Essas estrategias foram

selecionadas devido a serem implementadas em diversas solucoes da literatura. Muitos

dos trabalhos encontrados na literatura apresentam estrategias inovadoras juntamente

com estas solucoes estatısticas, de maneira hıbrida.

Conforme a Figura 6, as secoes deste capıtulo tratam de uma taxonomia que divide

as solucoes encontradas na literatura sob o aspecto das informacoes necessarias para sua

implementacao: (i) disseminacao baseada em informacoes a bordo, em que os veıculos

dispoem de toda informacao utilizada na implementacao do protocolo a bordo do veıculo;

(ii) disseminacao baseada em informacoes locais, na qual os veiculos se comunicam com

os vizinhos proximos a fim de obterem o conhecimento da vizinhanca a poucos saltos; e

(iii) disseminacao baseada em informacoes globais, onde os veıculos recebem informacoes

relacionadas a toda a rede. As solucoes elencadas envolvem protocolos identificados como

de roteamento e/ou disseminacao de dados, classificados aqui conforme a informacao

de que eles dispoe no desenvolver de suas tarefas, entretanto, este trabalho relaciona

protocolos que implementaram alem dos modos de comunicacao V2V e V2I, tambem a

comunicacao com a rede celular.

3.2.1 Disseminacao baseada em Informacoes a Bordo

Esta secao apresenta trabalhos que abordaram os problemas classicos da disse-

minacao de dados a partir de uma visao local, na qual os veıculos sao dotados de toda

informacao necessaria para a execucao do algoritmo que o protocolo implementa, sem

necessidade de qualquer comunicacao externa durante a execucao. Importa destacar as

limitacoes dessas solucoes: (i) sao abordagens baseadas em estatıstica, que nao consi-

deram o contexto bem como a vizinhanca de cada veıculo, (ii) nao apresentam solucoes

satisfatorias para o problema de particoes na rede devido a dificuldade em reconhecer que

existem particoes na rede, problema comum em cenarios de baixas densidades de veıculos.

O primeiro trabalho considerado neste contexto e o apresentado em (BAKHOUYA;

GABER; LORENZ, 2011). Neste trabalho, os autores propuseram o protocolo AID (Adap-

33

Figura 6 – Taxonomia para classificacao dos protocolos da literatura


tive approach for Information Dissemination) que utiliza uma abordagem estatıstica para

dar continuidade ao processo de disseminacao em cenarios urbanos. Neste protocolo, a

decisao de efetuar a retransmissao da mensagem e baseada no tempo entre recepcao das

mensagens. Basicamente, se durante o tempo de recepcao de uma mensagem ocorrer

a recepcao de mensagens redundantes, a retransmissao nao deve ser feita. Trata-se de

um protocolo adaptativo que implementa uma das propostas estatısticas apresentadas

anteriormente, a Distance-Based Scheme. Uma vez que uma mensagem nova chega ao

veıculo, estabelece-se imediatamente um tempo de espera aleatorio baseado na distan-

cia estimada a partir do veıculo transmissor. Em seguida, escalona-se uma retransmissao

para o tempo atual adicionado a um tempo aleatorio estabelecido. Se nenhuma mensagem

repetida for recebida durante o tempo aleatorio estabelecido, a retransmissao escalonada

vai ocorrer. Entretanto, uma vez que esta mesma mensagem torne a chegar, o tempo

aleatorio e reiniciado e uma nova espera se inicia. Este trabalho implementa tambem

o esquema Delay-Based Scheme apresentado no Capıtulo 2, em que veıculos aguardam

para retransmitir, esta iniciativa impede as transmissoes simultaneas, promovendo uma

melhora consideravel em evitar colisoes.

No entanto, essa proposta nao lida com o problema de particoes na rede. E im-

portante observar que ainda que haja um controle consideravel do numero de mensagens

transmitidas, nada se faz em relacao a redes particionadas. Alem disso, a estrategia apre-

34

sentada nao e aplicavel a qualquer contexto. por exemplo, aplicacoes de seguranca como

notificacoes de emergencia sao muito sensıveis ao tempo, logo, propostas que implementam

delays sao pouco efetivas.

Ainda no contexto de protocolos que utilizam informacoes a bordo, em (VILLAS et

al., 2012) os autores propuseram GEDDAI (GEographical Data Dissemination for Alert

Information). GEDDAI e uma solucao que lida com o problema de broadcast storm

introduzindo o conceito de zona de preferencia. Em GEDDAI, o veıculo que depara-se com

um evento inicia a disseminacao da mensagem, que deve ser propagada por toda a regiao

de interesse. Nesse processo reativo, zonas de preferencias, que sao definidas conforme o

raio do dispositivo de comunicacao dos veıculos, recebem atencao especial. Os veıculos

nessas regioes precedem os demais nas sucessivas retransmissoes pois apresentam menor

sobreposicao de areas em relacao aos demais. A Figura 7 destaca em verde os veıculos em

zonas de preferencia que forcam o cancelamento das retransmissoes dos veıculos que nao

estao em zonas de preferencia, reduzindo assim a quantidade de mensagens transmitidas.

Embora funcione em qualquer densidade, o protocolo apresenta cobertura insuficiente em

cenarios de baixas densidades.

Figura 7 – Zona de Preferencia do protocolo GEDDAI

Fonte: Adaptada pelo Autor de (VILLAS et al., 2012)

Uma estrategia diferente para controle do problema de broadcast storm foi proposta

em (SILVA et al., 2017). Neste trabalho e apresentado um protocolo hıbrido, de nome

Geo-Oriented, que utiliza o conhecimento do mapa e a abordagem estatıstica Probabilistic-

Scheme introduzida no Capıtulo 2. A solucao para a disseminacao de dados considera,

como inspiracao para a proposta do protocolo, uma abordagem para disposicao de antenas

telefonicas. A extensao da area de cobertura de uma Estacao Radio Base (ERB) pode ser

35

estimada a partir de alguns atributos como, por exemplo, a localizacao da antena. Dado

um mapa e uma antena com raio de alcance maximo r, qual o maior numero de antenas

possıvel a serem dispostas no mapa sem que haja intersecao na cobertura das antenas?

A Figura 8 apresenta um cenario em que o maior numero e 4. Perceba que existem

3 regioes distintas neste cenario. Primeiro, a menor regiao, em vermelho, representa

a localizacao dos veıculos centrais, mais indicados para efetuarem retransmissoes, com

posicao semelhante a de uma ERB. Segundo, em azul, a regiao de veıculos relevantes

para retransmissoes, mas nao tao indicados. A borda externa do cırculo azul representa

o limite da comunicacao do veıculo no centro do cırculo vermelho. Por ultimo, em cinza,

os veıculos nao considerados interessantes para retransmissoes.

Figura 8 – Zonas do Protocolo Geo-Orientado

Fonte: (SILVA et al., 2017)

O centro do cırculo vermelho e chamado de HotPoint. Os HotPoints sao pontos

definidos arbitrariamente e sao considerados os locais ideais para veıculos efetuarem re-

transmissoes. Por exemplo, dada a forma como os HotPoints estao distribuıdos no mapa

da Figura 8, bastam 4 retransmissoes para que pouco mais de 78% da area deste mapa

sejam cobertos pela mensagem. A partir destes HotPoints definiu-se que os veıculos no

interior do cırculo vermelho sao altamente indicados a retransmissores da mensagem no

processo de disseminacao. Os veıculos na regiao em azul, por sua vez, sao veıculos com

capacidade para retransmitir, mas menos indicados. E por fim, os veıculos nas regioes em

cinza sao considerados nao-indicados a atividade de retransmissao. A localizacao do veı-

culo no mapa e o principal aspecto observado para a atribuicao da probabilidade do veıculo

efetuar a retransmissao das mensagens recebidas, mas tambem sao considerados posicao,

velocidade e localizacao de origem. Resultados iniciais mostraram que esta abordagem

voltada para o mapa desempenha bem em relacao as demais abordagens estatısticas.

36

3.2.2 Disseminacao baseada em Informacoes Locais

Nesta secao, os trabalhos apresentados apresentam conhecimento adicional em re-

lacao as informacoes a bordo dos veıculos. O conhecimento adicional refere-se a topologia

local, conexoes que os veıculos apresentam com sua vizinhanca a poucos saltos. Estas so-

lucoes se destacam pela comunicacao previa exigida para sua execucao. Com o surgimento

deste conhecimento da vizinhanca, grande parte dos protocolos apresentam solucoes para

ambos os problemas classicos da disseminacao de dados, particoes na rede e broadcast

storm.

3.2.2.1 Solucao para problema de particoes na rede

Os primeiros protocolos desta secao sao o DV-CAST (Distributed Vehicular Bro-

adCAST) (TONGUZ; WISITPONGPHAN; BAI, 2010) e o UV-CAST (Urban Vehicular

BroadCAST) (VIRIYASITAVAT; BAI; TONGUZ, 2010). Nestes protocolos os autores

empenharam-se em tratar tanto o problema de particoes na rede quanto o problema de bro-

adcast storm para cenarios de rodovias (DV-CAST) e para cenarios urbanos (UV-CAST).

A forma como abordaram o problema envolve um mecanismo de difusao de beacons. Bea-

cons sao pacotes de dados de tamanho reduzidos que armazenam informacoes de contexto

e sao transmitidos com um intervalo constante entre eles. As informacoes de contexto

podem ser, por exemplo, a localizacao estimada por meio de sistemas de posicionamento

global (Global Positioning System - GPS), numero de vizinhos, velocidade do veıculo, etc.

Estas informacoes permitem que os veıculos facam estimativas acerca da topologia da

rede. Apesar de extremamente dinamica, a topologia da rede pode fornecer algumas ca-

racterısticas extremamente interessantes durante a disseminacao de dados, por exemplo,

conhecer a densidade de veıculos no local. Com base nestas informacoes, a disseminacao

de dados nao e mais feita as cegas, como acontece no algoritmo de flooding. O mecanismo

de transmissao de beacons adotado pelos autores permite aos veıculos o conhecimento de

seus vizinhos a um salto e tambem das mensagens que eles possuem. Dessa forma, quando

identifica um cenario denso de veıculos, opera no modo de supressao de broadcast, quando

o cenario apresenta poucos veıculos, opera no modo store-carry-forward como forma de

tratamento para o problema de particoes na rede.

No modo de supressao de broadcast, o protocolo UV-CAST considera veıculos em

cruzamentos para o calculo de um tempo de espera. E implementado o esquema estatıstico

Delay-Based Scheme apresentado no Capıtulo 2. A supressao e feita da seguinte forma:

uma vez que o tempo de espera de um veıculo expira sem que este tenha recebido uma

nova mensagem redundante, efetua a retransmissao da mensagem. Caso tenha recebido a

mesma mensagem durante o tempo de espera, reinicia o tempo de espera. O protocolo DV-

CAST por sua vez, implementa o esquema estatıstico Distance-Based Scheme, tambem

37

introduzido no Capıtulo 2. Nesta implementacao os veıculos recebem uma probabilidade

maior de efetuarem a retransmissao da mensagem caso apresentem uma maior distancia

em relacao ao veıculo origem da mensagem.

Em outro modo de operacao, quando em densidades de veıculos menores, o proto-

colo UV-CAST considera os veıculos mais proximos das bordas do componente da rede

como carregadores da mensagem. Por meio da troca de beacons, ao encontrar um veıculo

interessado na mensagem que nao a possui, verifica a validade da mensagem e efetua a

retransmissao se ainda for valida. O protocolo DV-CAST por sua vez entrega a tarefa

de carregar a mensagem aos veıculos no sentido oposto, que encontrarao antes os veıculos

interessados na mensagem (veıculos no mesmo sentido que o evento).

Apesar do ganho apresentado pela abordagem proposta nesses dois protocolos e

do potencial para apresentar melhorias nos resultados da disseminacao, ela apresenta um

custo adicional. O acrescimo do numero de mensagens transmitidas periodicamente, como

acontece com a utilizacao dos beacons, aumenta o consumo do recurso rede, o que por si

so aumenta os efeitos do problema de broadcast storm. Embora tenha este custo adicio-

nal, a estrategia apresenta resultados satisfatorios do ponto de vista global, provocando

menos transmissoes de mensagens desnecessarias e aumentando a cobertura da rede. Os

resultados apresentados pelos autores mostram que existe uma melhoria na cobertura em

cenarios com baixa densidade de veıculos, sugerindo que o custo adicional associado a

transmissao de beacons pode ser pago.

Em (AKABANE et al., 2016), os autores propuseram um protocolo que atua tanto

em cenarios urbanos como em rodovias. Alem disso, o protocolo proposto CARRO

(Context-Aware Routing pROtocol) lida com os dois problemas classicos de dissemina-

cao de dados, broadcast storm e particoes na rede. O processo de disseminacao de dados

tambem ocorre a partir da observacao da densidade de veıculos no cenario. Em cenarios

densos de veıculos o protocolo CARRO trata o problema de broadcast storm utilizando

um mecanismo de supressao de broadcast chamado Zona de Preferencia introduzido em

(VILLAS et al., 2012). Conforme mostra a Figura 9, Zonas de Preferencia sao setores

na borda do raio de comunicacao em que veıculos localizados em seu interior sao consi-

derados melhores potenciais retransmissores de tal forma que bastando a retransmissao

desses veıculos a disseminacao sera eficiente. Por outro lado, em cenarios pouco densos de

veıculos, o protocolo proposto pelos autores utiliza o mecanismo de store-carry-forward

utilizado no protocolo UV-CAST para dar continuidade ao processo de disseminacao.

De semelhante modo, os protocolos CC-DEGREE (CUNHA et al., 2014), VOV

(MAIA et al., 2015) e HyDiAck(MAIA et al., 2013) operam nos modos de suppressao

de broadcast e store-carry-forward, mas apresentando diferentes abordagens para os al-

goritmos de supressao. CC-DEGREE utiliza metricas sociais para selecao de veıculos

38

Figura 9 – Zona de Preferencia em cenarios urbanos e rodovias

Fonte: (AKABANE et al., 2016)

potenciais melhores retransmissores. As metricas sao o coeficiente de clusterizacao e o

grau dos nos de forma que os veıculos que apresentem alto grau e no entanto nao se

enxergam (devido a possuirem baixo coeficiente clusterizacao) sao os mais indicados. O

protocolo VOV se propoe a controlar a comunicacao via broadcast implementando de

maneira hıbrida duas estrategias estatısticas apresentadas no Capıtulo 2, Location-Based

Scheme e Distance-Based Scheme. O protocolo HyDiAck procura determinar qual deve

ser o subgrupo de veıculos responsavel pela retransmissao da mensagem, considerando

veıculos no interior de uma zona de retransmissao (Forwarding Zone) os mais indicados.

A Figura 10 ilustra a zona de retransmissao implementada pelo protocolo HyDiAck.

Para o modo de operacao de baixas densidades, os protocolos CC-DEGREE, VOV

e HyDiAck implementam store-carry-forward como solucao.

3.2.2.2 Nao solucao para problema de particoes na rede

Os protocolos a seguir embora utilizem do conhecimento da vizinhanca, o que

permite estimar a topologia local, nao apresentam solucoes para o problema de particoes

na rede. As propostas que utilizam o recurso beacons apresentadas ate aqui procuravam o

conhecimento dos vizinhos a 1-salto e utilizavam de informacoes topologicas para estimar

a densidade de veıculos, alem de tomar decisoes considerando as localizacoes aproximadas

dos veıculos.

Em (COSTA et al., 2017) foi proposto um protocolo que tambem utiliza do recurso

beacon mas que busca o conhecimento de vizinhos ate 2-saltos. A estrategia dos autores

para o protocolo de nome DDBC (Data Dissemination protocol Based on Centrality) e

39

construir um grafo local e atribuir a tarefa de retransmissao das mensagens aos pontos de

articulacao deste grafo. A Teoria dos Grafos diz que um ponto de articulacao (ou vertice

de corte) e um vertice de um grafo tal que a remocao deste vertice provoca a desconexao

do grafo. A partir do conhecimento dos pontos de articulacao existentes entre os vizinhos,

a decisao acerca do retransmissor da mensagem e centralizada ao veıculo origem. Definiu-

se que os veıculos que sao pontos de articulacao no grafo construıdo localmente serao

os responsaveis pelas retransmissoes. Havendo mais de um ponto de articulacao, o que

tiver maior numero de vizinhos e maior distancia do veıculo de origem e selecionado. Nao

havendo pontos de articulacao no grafo construıdo, o que tiver maior numero de vizinhos

e selecionado.

O protocolo CPB (LIU et al., 2018) utiliza beacons para estimar a topologia local

num contexto diferente. Ocorre que este protocolo e proposto para disseminar dados em

rodovias e a forma como a disseminacao e feita envolve, de maneira hıbrida, duas solu-

coes basicas apresentadas no Capıtulo 2, Probabilistic Scheme e Cluster-Based Scheme.

O diferencial, como destacam os autores, acerca da abordagem probabilıstica esta no fato

de as propostas da literatura implementarem probabilidades estaticas, nao impedindo um

grande numero de mensagens redundantes sendo transmitidas. Os autores implementaram

uma probabilidade dinamica, em funcao da densidade de veıculos no cenario de rodovia

implementado. Alem disso, operam conforme os estados dos veıculos no cluster. Um

veıculo nao cluster-head recebendo uma mensagem verifica se o cluster-head recebeu, caso

nao o tenha, encaminha a mensagem ao cluster-head. Caso tenha recebido, descarta a

mensagem. Por outro lado, se o veıculo for um cluster-head e estiver na direcao da mensa-

gem (estimada facilmente devido a rodovia apresentar apenas dois sentidos), retransmite

a mensagem, caso contrario a descarta.

3.2.3 Disseminacao baseada em Informacoes Globais

Nesta secao, os protocolos consideram que os veıculos sao dotados com informacoes

a bordo do veıculo bem como informacos globais, nao restritas a topologia local. Esta

nao limitacao permite que o problema de particoes na rede tenha efeitos bem menos

significantes, uma vez que sao bem mais facilmente detectados. Os protocolos classificados

como dotados de informacoes globais utilizam da rede celular no mınimo como fonte de

informacao precisa e global.

Em (LEQUERICA; RUIZ; CABRERA, 2010), os autores implementaram uma

solucao util como backup para comunicacao entre veıculos mas tambem um mecanismo

para disseminacao de informacoes de controle para aplicacoes e protocolos. Neste trabalho,

denominado VISIONS (Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS

Operational Nodes and Services), a ideia geral e apresentar uma solucao para protocolos

40

Figura 10 – Zona de retransmissao do protocolo HyDiAck

Fonte: (MAIA et al., 2013)

de roteamento em redes veiculares cujo problema e encontrar a lista apropriada de ruas e

intersecoes conectando a origem da mensagem e o destino.

Para alcancar este objetivo, os autores utilizaram a rede 3G como meio de comuni-

cacao entre os veıculos e um servidor onde a informacao e processada e disponibilizada a

toda a rede. O foco dos autores esta na disponibilizacao de toda informacao relevante para

aplicacoes, servicos e protocolos a fim de que apresentem uma melhoria de desempenho e

alcancem uma mudanca positiva em suas propostas.

VMaSC foi o nome dado ao protocolo proposto por (UCAR; ERGEN; OZKASAP,

2016). Este protocolo emprega o modo de comunicacao V2V por meio do protocolo IEEE

802.11p bem como a comunicacao V2V por meio da rede celular LTE. Neste trabalho que

tambem emprega o esquema Cluster-Based, os veıculos eleitos cluster-heads podem emitir

e retransmitir mensagens tambem por meio da rede celular LTE, via multicast, no entanto

os veıculos cluster-members estao limitados a comunicacao via protocolo IEEE 802.11p,

o que pode mudar caso sejam eleitos cluster-heads em algum momento. O emprego da

comunicacao global na comunicacao entre os veıculos e um passo para o futuro das redes

de 5a geracao.

Como um grande avanco nas tecnologias de comunicacao, as redes de 5a Geracao

(5G) apresentam um cenario completamente diferente tambem para as redes veiculares.

Em (KHAN et al., 2019), os autores propuseram um algoritmo de roteamento para co-

municacao 5G V2X (Vehicle-to-Everything) que implementa um esquema Cluster-Based

41

(Capıtulo 2) em dois nıveis. As novidades nesta proposta comecam com os problemas

classicos em disseminacao de dados, broadcast storm e particoes na rede, que sequer sao

mencionados. Isso se deve ao fato da comunicacao via rede 5G oferecer suporte a comu-

nicacao nao exclusiva por meio de broadcast.

3.3 Consideracoes

A disseminacao em curva foi inicialmente abordada em redes de sensores sem fio,

nas quais as curvas eram baseadas na disponibilidade energetica dos nos que compunham

a rede. Os autores do protocolo TEDD acrescentaram ao protocolo TBF o conhecimento

de um mapa de energias, que permite uma visao global do mapa para a definicao de

curvas melhores por onde os pacotes deveriam passar. Este conhecimento global que

proporcionou uma melhoria significativa para o problema de disseminacao em redes de

sensores tambem e explorado no presente trabalho, em que busca-se conhecer a densidade

de veıculos em todo mapa atraves da comunicacao via rede celular.

Os diversos trabalhos apresentados neste capıtulo abordaram o problema de bro-

adcast storm de pontos de vista diferentes. Dentre os protocolos que implementaram

solucoes que tratam o problema de particoes na rede, todos o fizeram por meio da conhe-

cida abordagem de store-carry-forward. Embora os trabalhos de (BAKHOUYA; GABER;

LORENZ, 2011), (VILLAS et al., 2012) e (SILVA et al., 2017) nao implementem solucoes

para o problema de particoes na rede, tambem nao sofrem com o overhead provocado pelos

beacons para desempenhar a disseminacao. Embora diversas solucoes sejam apresentadas

na literatura para disseminacao de dados, a esmagadora maioria nao utiliza informacoes

globais como pre-requisito, como e o caso dos trabalhos de (LEQUERICA; RUIZ; CA-

BRERA, 2010), (UCAR; ERGEN; OZKASAP, 2016) e (KHAN et al., 2019). Assim sendo,

o presente trabalho propoe-se a desenvolver mais a ideia de utilizar a rede celular, nao

presa a tecnologia de uma unica geracao, a fim de entregar informacoes de controle aos veı-

culos que participam da disseminacao de dados. O presente trabalho apresenta melhorias

em relacao aos protocolos da literatura apresentados no que tange a utilizacao do recurso

rede, reduzindo o numero de mensagens duplicadas bem como nao dando conhecimento

da mensagem aos veıculos nao interessados nela.

A Tabela 1 resume as informacoes acerca dos protocolos apresentados neste capıtulo

com destaque para os problemas classicos tratados em cada solucao alem da identificacao

do cenario para o qual a proposta foi desenvolvida.

42

Protocolo InformacoesProblemas Cenario

Broadcast storm Particoes na rede Urbano Rodovia

AID(BAKHOUYA; GABER; LORENZ, 2011) a bordo X - X -

CARRO(AKABANE et al., 2016) locais X X X X

CC-DEGREE(CUNHA et al., 2014) locais X X X -

CPB(LIU et al., 2018) locais X - - X

DDBC(COSTA et al., 2017) locais X - X -

DV-CAST(TONGUZ; WISITPONGPHAN; BAI, 2010) locais X X - X

GEDDAI(VILLAS et al., 2012) a bordo X - X -

Geo-Orientado(SILVA et al., 2017) a bordo X - X -

HYDIACK(MAIA et al., 2013) locais X X X -

TLCB(KHAN et al., 2019) globais X X X X

UV-CAST(VIRIYASITAVAT; BAI; TONGUZ, 2010) locais X X X -

VISIONS(LEQUERICA; RUIZ; CABRERA, 2010) globais X - X -

VMasC(UCAR; ERGEN; OZKASAP, 2016) globais X X X X

VOV(MAIA et al., 2015) locais X X X -

Tabela 1 – Protocolos propostos na literatura nos ultimos anos e suas caracte-rısticas em termos de informacoes necessarias, problemas tratados e cenariosatendidos.


43

4 DISSEMINACAO BASEADA EM TRAJETORIA

Neste capıtulo o protocolo proposto TBD (Trajectory Based Dissemination) e apre-

sentado. O protocolo TBD considera a definicao de uma trajetoria para direcionar a dis-

seminacao de dados da origem ate a regiao a ser alcancada. O protocolo sera apresentado

em quatro etapas, conforme as secoes a seguir. Primeiro sera feita uma breve introducao

acerca do problema a solucionar e os requisitos assumidos. Em seguida, sera apresentada

a participacao da rede de celular, detalhando o conhecimento que ela fornece ao proto-

colo. O mecanismo de transmissao direcionado via broadcast e o modo de funcionamento

do protocolo sao explicados nas duas ultimas secoes.

4.1 Introducao

O objetivo deste protocolo e solucionar o problema de transmitir uma mensagem

de um local origem ate uma regiao destino (SALEH; HASSON, 2019). Pretende-se fazer

com que uma mensagem originada a partir de alguma aplicacao trafege pela rede ate

os veıculos na regiao de interesse, e na regiao de interesse seja disseminada a todos os

veıculos, como exemplificado pela Figura 11.

Para alcancar este objetivo, as seguintes premissas foram assumidas:

(i) Os veıculos estao equipados com dispositivo de comunicacao sem fio com mesmo

alcance de comunicacao

(ii) Os veıculos estao conectados a rede celular

(iii) Os veıculos estao equipados com dispositivo GPS (Global Positioning System)

(iv) A mensagem a ser transmitida carrega a localizacao da regiao de interesse

(v) O veıculo origem da mensagem esta fora da regiao de interesse

Embora o envolvimento da rede celular em redes veiculares seja uma possibilidade

desde o inıcio, a maioria das solucoes propostas para disseminacao de dados em redes

44

veiculares so envolvem os modos de comunicacao V2V e V2I. Em grande parte esta situ-

acao se deve ao fato de a rede celular apresentar latencia para a comunicacao superior a

latencia no modo de comunicacao V2V, feita atraves do protocolo IEEE 802.11p.

Apesar das condicoes pouco favoraveis destacadas, a rede celular pode ser vista

como uma oportunidade no que tange a infraestrutura existente. Alem disso, considerar

que todos os veıculos estejam conectados a rede celular e uma premissa que pode ser

verificada nos dias de hoje, diante da popularizacao dos smartphones e dos servicos que

estes oferecem para condutores de veıculos e no futuro os veıculos estarao equipados com

chip 5G (5GAA, 2016).

Assumindo essas condicoes, o cenario indicado para o presente protocolo e o se-

guinte: (i) o veıculo origem da mensagem esta distante da regiao de interesse; (ii) a rede

e densa de veıculos em alguns pontos e nao densa em outros, cenario urbano tıpico; (iii)

a regiao de interesse esta distante do veıculo origem da mensagem, mas contem diversos

veıculos. Dessa forma, para que o objetivo seja alcancado e necessario que o veıculo ori-

gem transmita a mensagem para os veıculos mais indicados para a tarefa de encaminha-la

pela rede, e atraves de saltos a regiao de interesse seja alcancada. No interior da regiao

de interesse, e necessario que ela seja disseminada para todos os veıculos, tarefa capaz de

responder pela confiabilidade do protocolo. A Figura 11 apresenta um cenario exemplo

em que VO representa a posicao do veıculo origem da mensagem e Vd os veıculos destinos

da mensagem, localizados no interior da regiao de interesse. A Figura 11 apresenta ainda

uma rota possıvel para a mensagem, tal que os veıculos Vin sao selecionados para retrans-

mitirem as mensagens. Os demais pontos representam veıculos que nao sao interessados

na mensagem e nao executam retransmissoes.

O presente protocolo utiliza a comunicacao via rede celular em todo tempo de

deslocamento dos veıculos atualizando suas localizacoes junto a uma entidade global que

fornece informacoes precisas e globais a todos os veıculos na rede, mas nao e um recurso

utilizado para a disseminacao de dados propriamente dita, permanecendo a comunicacao

V2V como meio para a transmissao das mensagens entre os veıculos.

4.2 Participacao da Rede Celular

Como requisito fundamental da disseminacao, a mensagem deve alcancar os veıcu-

los no interior da regiao de interesse. Neste contexto, o TBD trabalha para efetuar esta

tarefa minimizando o consumo dos recursos de rede. Assim, atraves de uma interacao

com a rede celular, o protocolo obtem informacao da densidade de veıculos por regiao, de

forma a definir a trajetoria que a mensagem ira percorrer ate alcancar a regiao de destino.

Para que este conhecimento seja possıvel, definiu-se que os veıculos encaminhem

45

Figura 11 – Cenario indicado para utilizacao do protocolo TBD

Fonte: Proprio autor

suas posicoes geograficas a cada instante de tempo definido para um servidor externo,

atraves da comunicacao via rede celular. Este servidor externo e o responsavel por ar-

mazenar e processar os dados de posicao submetidos pelos veıculos e quando alguma

aplicacao demandar pelas informacoes de posicao, fornecer a informacao. Por exemplo,

uma aplicacao pode demandar o conhecimento acerca da densidade de veıculos numa via

que pretende acessar cujo valor sera determinante na decisao de fazer ou nao aquele tra-

jeto. Basicamente a comunicacao com a rede celular permite que, ao fornecer informacao

local, os veıculos podem usufruir do conhecimento acerca do comportamento global do

transito. Essa abordagem e uma alternativa a troca constante de beacons entre os veıculos,

o que contribui para reduzir o consumo de recursos da rede V2V e maximiza a precisao e

a dimensao das informacoes que sao compartilhadas entre os veıculos.

Para a presente estrategia, definiu-se que o mapa da cidade e representado por

celulas quadradas. Cada quadrado imaginario definido representa no servidor uma celula

da matriz. Dessa forma, a quantidade de veıculos e contabilizada por celulas e nao por

toda a cidade. A Figura 12 ilustra a divisao de um cenario quadrado em celulas. Neste

exemplo, cada celula trata-se de um quadrado menor de lado equivalente ao tamanho do

raio de alcance do dispositivo de comunicacao. Dessa forma, a partir dos envios atraves

da rede celular de mensagens de localizacao de cada veıculo e das celulas definidas, tem-se

uma matriz de densidades.

A Figura 12 identifica visualmente os locais densos de veıculos em cor escura, com

46

Figura 12 – Exemplo de matriz de densidades, conforme atualizacoes de veı-culos nas celulas.


valores mais proximos ou iguais a 100 e os locais mais esparsos com cores mais claras e

valores mais proximos ou iguais a 0. Com a frequencia definida, a matriz de densidades

passa por mudancas constantemente, conforme a rotina do transito. A frequencia do

envio destas mensagens pode ser definida de forma estatica, por um intervalo de tempo

ou ainda conforme a movimentacao de cada veıculo, permitindo um numero menor de

submissoes de mensagens atraves da rede celular para veıculos lentos que nao saıram da

celula enquanto se deslocava.

Conhecendo a matriz de densidades, e possıvel criar um grafo com pesos nos ver-

tices, que representem as densidades de veıculos nas celulas correspondentes. Primeira-

mente, para determinar a conectividade do grafo, estabeleceu-se que as celulas se conectam

com suas celulas vizinhas imediatas de tal forma que o maximo de vizinhos que uma ce-

lula pode ter a um salto e 8, podendo as celulas perifericas ter 3 ou 5 celulas vizinhas.

Alem disso, os valores de densidades sao convertidos em pesos para os vertices do grafo.

A conversao feita ocorre atraves da simples inversao de numerador e denominador, o que

garante que os maiores valores de densidades apresentem os menores valores de pesos e

por sua vez, os menores valores de densidades apresentem os maiores valores de pesos. A

equacao 4.1 generaliza a conversao de uma celula n em um vertice n.

Vn =1

peson(4.1)

Considerando o grafo definido anteriormente, a Figura 13 ilustra a conversao da

matriz de densidades da Figura 12 num grafo com pesos nos vertices. A partir do grafo

47

de pesos, definiu-se que as arestas terao como valor a soma dos pesos dos vertices nela

conectados. Isto e, para uma aresta A-B, seu valor sera a soma dos pesos dos vertices

A e B. O grafo preenchido com os valores de arestas e utilizado na presente proposta

para que seja encontrado o caminho mais denso de veıculos da origem ate o destino

da mensagem. Foi definido o algoritmo de Dijkstra o responsavel pelo calculo, fazendo-se

necessaria a conversao da matriz de densidades num grafo cujos vertices apresentem pesos

menores para celulas com maiores densidades de veıculos e pesos maiores para celulas com

menores densidades de veıculos, dessa forma, permitindo o calculo de valores para arestas

cujo caminho mais curto representa o caminho mais denso no cenario.

Figura 13 – Densidades de veıculos convertidas em pesos nos vertices, que porsua vez sao convertidos em valores de arestas, entrada valida para o algoritmode Dijkstra.

Fonte: Proprio autor

Na Figura 13, pode-se verificar, em tom de cinza mais escuro, os nos cujas celulas

na matriz de densidade da Figura 12 sao pouco densos, e em cor mais clara os nos cujas

celulas apresentam densidades maiores. A posterior conversao do grafo com pesos nos

vertices para os valores de arestas e necessaria para que o grafo seja entrada valida para

o algoritmo de Dijkstra. Com densidades maiores convertidas aos menores caminhos, a

saıda do algoritmo favorecera essas regioes. Dessa forma, todos os veıculos, assim que

recebem a mensagem, apuram as informacoes de densidade e calculam o melhor caminho,

naquele instante de tempo, ate a regiao de interesse, de tal forma que nao necessariamente

o caminho calculado pelos veıculos no salto 2 sera o mesmo para os veıculos no salto n-2,

por exemplo. A dinamicidade da topologia, responsavel pela definicao de densidades nas

diferentes celulas, pode interferir no caminho conforme os saltos durante a disseminacao

de dados.

48

4.3 Transmissao direcionada via broadcast

A partir do caminho entre as celulas de origem e destino retornado pelo algoritmo

de Dijkstra, a mensagem pode ser encaminhada por meio da comunicacao V2V ate a regiao

de interesse. Assim, alguns dos veıculos pertencentes a essa rota devem encaminhar a

mensagem. Destaca-se que os veıculos realmente interessados no conteudo da mensagem

sao os veıculos localizados no interior da regiao de interesse, por sua vez os veıculos

envolvidos no encaminhamento da mensagem ate a regiao de interesse nao sao interessados

na mensagem. Isso mostra que um numero mınimo de veıculos deve ser envolvido no

encaminhamento da mensagem pois essa medida vai garantir mais eficiente utilizacao do

meio de comunicacao.

A caracterıstica que deseja-se melhorar atraves da implementacao de um trajeto

entre a origem e o destino e a reducao da comunicacao na disseminacao de dados. Uma

das formas de mensurar a comunicacao na disseminacao de dados e atraves do numero

de veıculos que recebem a tarefa de transmitir a mensagem. Em razao da metodologia

comumente adotada na literatura, que considera o veıculo origem da mensagem no interior

da regiao de interesse, os protocolos propostos ficam restritos a determinadas aplicacoes

alem da mensuracao nao ser totalmente efetiva. Por exemplo, aplicacoes de notificacoes de

um acidente devem imediatamente alcancar os veıculos proximos, tornando aquela regiao,

a regiao de interesse. No entanto, a comunicacao entre veıculos do local do acidente e

um veıculo de resgate, que nao esteja no interior da regiao de interesse, e tambem de

grande importancia, o que justifica um olhar menos restrito para a area envolvida na


Considerando a comunicacao de mensagem cuja origem nao e a regiao de interesse,

faz-se necessaria a escolha de alguns poucos veıculos encaminhadores da mensagem a fim

de que veıculos nao partes do caminho bem como os nao interessados na mensagem nao

envolvam-se na comunicacao, o que consumiria recursos de rede de maneira desnecessaria.

Para alcancar a finalidade apresentada, e proposta a utilizacao do mecanismo de

transmissao direcionada via broadcast que define um cone de retransmissao. Conforme

mostra a Figura 14, o cone de retransmissao e uma area no interior do raio de alcance

do dispositivo de comunicacao, definido conforme um angulo determinado. A definicao

deste cone de retransmissao para comunicacao direcionada ocorre em funcao da natureza

da comunicacao no modo V2V, em que os veıculos comunicam-se com todos os vizinhos

via broadcast de forma nao direcionada. Assim sendo, considerou-se que os veıculos no

interior daquele cone devem efetuar retransmissoes para que a mensagem seja propagada

naquela direcao. Este mecanismo e ilustrado na Figura 14 em que o veıculo v0 representa

a origem da mensagem e os demais veıculos ate o veıculo vn representam veıculos parte

do caminho ate o destino da mensagem, a regiao de interesse. O raio de alcance do

49

Figura 14 – A retransmissao so e feita na area do cone, a cada salto ate aregiao de interesse.


dispositivo de comunicacao e representado pelo cırculo completo em volta de cada veıculo

e equivalente para todos os veıculos. A regiao no interior do raio de alcance do dispositivo

de comunicacao e entao dividida em duas partes: a regiao em cinza, onde estao os veıculos

potenciais receptores da mensagem, que poderao verificar o seu destino e descarta-la, e na

regiao em verde, denominada cone de retransmissao, onde estao os veıculos que receberao

a tarefa de retransmitirem a mensagem. Dessa forma, a tarefa de retransmissao das

mensagens limita-se aos veıculos no interior do cone de retransmissao, cuja definicao da

area e determinada conforme o caminho que a mensagem deve percorrer.

Ainda observando a Figura 14, observa-se o limite da zona de recepcao. Uma

vez que os veıculos nas extremidades superior e inferior do cone efetuem retransmissoes,

o limite para a zona de recepcao e determinado, no exemplo da Figura 14, pela linha

pontilhada em vermelho. Basicamente a largura da regiao pela qual a mensagem sera

recebida, ou seja, a largura do trajeto da mensagem no cenario ate a regiao de interesse,

tem dimensao maxima de 3 cones paralelos.

A premissa estabelecida de conhecimento da regiao de interesse (destino da men-

sagem) e importante para que cada veıculo, ao verificar o caminho da celula em que se

encontra ate a regiao de interesse, consiga estimar a posicao do cone de retransmissao.

50

Em razao da regiao de interesse nao ser um local especıfico, com uma unica coordenada

geografica, define-se como seu ponto de referencia, preferencialmente, a coordenada ge-

ografica central da regiao. Alem da posicao do cone de retransmissao, faz-se necessario

definir o angulo do cone, de forma estatica ou dinamica, de tal forma que as regioes muito

densas de veıculos recebam cones menos abertos e regioes nao tao densas recebam cones

mais abertos. Esta possibilidade de adaptacao do cone permite a proposta a reducao do

numero de mensagens transmitidas mesmo limitadas ao cone, o que e considerada pratica

valida para mitigacao dos problemas de broadcast storm.

4.4 Funcionamento basico do protocolo TBD

As secoes anteriores destacaram a obtencao das informacoes pelos veıculos acerca

do melhor caminho para se enviar a mensagem e a forma como os veıculos sao selecionados

para este envio. Nesta Secao, os algoritmos envolvidos na disseminacao propriamente

dita serao detalhados, de forma que consolide-se o entendimento acerca do protocolo de

disseminacao de dados baseado em trajetoria.

Para que a mensagem seja disseminada, e necessario que um veıculo origem a

emita inicialmente. Apos a emissao da mensagem, cada um dos veıculos que a receberam

verificarao se estao no interior do cone de retransmissao para que ela seja encaminhada

ate a regiao de interesse. Este procedimento e executado atraves do Algoritmo 1.

Algoritmo 1: Algoritmo TBD – Trajectory Based Dissemination.

1 Evento: Decisao sobre retransmitir m recebida do vizinho v

2 se veıculo esta na regiao de interesse entao3 retransmite m com algoritmo de supressao;4 fim5 senao6 se veıculo esta no cone de v entao7 retransmite m com algoritmo de supressao;8 fim9 senao

10 descarta m;11 fim

12 fim

A execucao do Algoritmo 1 determinara se o veıculo receptor da mensagem m do

vizinho v esta no interior do cone de retransmissao para que a retransmissao seja feita no

trajeto da mensagem. Primeiro, o veıculo verifica se encontra-se na regiao de interesse

(linha 2), neste caso nao existe a necessidade de encaminhar a mensagem pelo cone de

retransmissao ate a regiao de interesse, portanto basta que o Algoritmo 2 seja executado

(linha 3). Se o veıculo nao esta na regiao de interesse, como e a premissa assumida,

51

o veıculo entao verifica se encontra-se no interior do cone de retransmissao do veıculo v

(linha 6). Se o veıculo encontrar-se no interior do cone de retransmissao de v, a mensagem

e retransmitida por meio do Algoritmo 2 (linha 7). Caso o veıculo nao esteja no interior do

cone de retransmissao de v, a mensagem e descartada (linha 10), pois o veıculo encontra-se

apenas em zona de recepcao, conforme a Figura 14.

O procedimento descrito para o algoritmo do protocolo TBD fara com que a men-

sagem seja encaminhada salto a salto ate encontrar a regiao de interesse, e no interior

da regiao de interesse seja executado o Algoritmo 2. No Algoritmo 2, quando um veıculo

recebe uma mensagem de dados sinalizada para retransmissao (linha 1), ele deve adicio-

nar a mensagem m na lista de mensagens recebidas (linha 2). Em seguida, calcular um

intervalo de tempo para retransmissao (linha 3) de acordo com a distancia em relacao ao

vizinho v. Enquanto maior a distancia (distancia em relacao ao veıculo do qual recebeu

a mensagem, ate o limite do raio do dispositivo de comunicacao), menor sera o tempo

definido para a retransmissao (maior tempo possıvel equivalente a 500 ms). A escolha de

500 ms como limite para o tempo maximo acompanha o trabalho de (VIRIYASITAVAT;

BAI; TONGUZ, 2010), em que os autores encontraram 500 ms como um valor de limite

superior. Vale destacar que se a distancia for igual ao raio de alcance do dispositivo de

comunicacao, a retransmissao e feita imediatamente. O calculo do tempo e feito atraves

do seguinte modelo matematico:

t = (1.0− min(DS,r)r

)∗500 (4.2)

Neste modelo, DS refere-se a distancia do veıculo do qual recebeu a mensagem e r ao

raio de alcance do dispositivo de comunicacao, parametros da funcao min(), que retorna

o menor entre os dois valores.

Com o tempo calculado (linha 3), verifica-se a existencia de agendamento para re-

transmissao futura (linha 4). Se existir agendamento e este for o primeiro agendamento,

cancela-se e efetua um reagendamento para o tempo t calculado (linha 6). Caso nao seja

o primeiro agendamento, cancela-se o envio da mensagem m (linha 9). Esta verificacao

acompanha uma das estrategias basicas para melhorias no algoritmo de flooding, introdu-

zida no Capıtulo 2 com o nome counter-based-scheme. Nesta estrategia, conta-se o numero

de retransmissoes assumindo que a recepcao de muitas mensagens implica em retransmis-

soes desnecessarias. O reagendamento de mensagens caracteriza a recepcao duplicada da

mensagem.

Caso verifique que nao existe agendamento de retransmissao da mensagem m, o

veıculo efetua o primeiro agendamento para o tempo t (linha 13). Assim que o tempo

t expirar, a mensagem e entao retransmitida (linhas 15 e 16). Atraves do mecanismo

de transmissao direcionada via broadcast e deste algoritmo de supressao de broadcast,

52

Algoritmo 2: Algoritmo de supressao de broadcast.

1 Evento: mensagem de dados m recebida do vizinho v sinalizada para retransmissao2 adicionar m na lista de mensagens recebidas;

3 t← obterTempoDeRetransmissao();4 se o envio de m esta agendado entao5 se agendada 1 vez entao6 cancela e efetua reagendamento para tempo t;7 fim8 senao9 cancela o envio da mensagem m;

10 fim

11 fim12 senao13 efetua agendamento para tempo t;14 fim

15 Evento: tempo t de agendamento da mensagem m expira16 Retransmite m;

os veıculos mais proximos do objetivo de levarem a mensagem ao destino na regiao de

interesse terao prioridade na retransmissao da mensagem.

Este capıtulo apresentou com detalhes o protocolo TBD - Trajectory Based Disse-

mination, no proximo capıtulo serao feitas avaliacoes de desempenho sob o aspectos de

confiabilidade e economia de recursos de rede.

53

5 AVALIACAO DE DESEMPENHO E RESULTADOS

O presente capıtulo compreende a avaliacao de desempenho do protocolo proposto

TBD sob aspectos de confiabilidade e economia de recursos de rede. Alem disso, apresenta

tambem uma analise de fatores que impactam a disseminacao de dados a fim de determinar

quais fatores mais influenciam as avaliacoes de protocolos de disseminacao de dados da

literatura. Dessa forma, este capıtulo esta dividido em duas secoes, a primeira secao lida

com a avaliacao de desempenho do protocolo TBD e em seguida a secao de analise dos

fatores que impactam a disseminacao de dados.

5.1 Simulacao do Protocolo TBD

5.1.1 Introducao

A avaliacao de desempenho da solucao proposta foi efetuada por meio de simula-

coes em ambiente virtual e teve como ferramentas o simulador de rede OMNeT++ 4.6

(VARGA, 2003) e como simulador de mobilidade a ferramenta SUMO 0.25.0 (BEHRISCH

et al., 2011), ambos por meio do framework de redes veiculares VEINS (SOMMER; GER-

MAN; DRESSLER, 2011).

Os resultados foram comparados com protocolos da literatura AID, CARRO e UV-

CAST, introduzidos no Capıtulo 3. A escolha dos protocolos UV-CAST e CARRO se deve

ao fato de implementarem a difusao de beacons para conhecimento da vizinhanca local,

de maneira semelhante ao protocolo TBD que efetua submissoes de posicoes geograficas

periodicamente a rede movel para conhecimento da densidade global. Alem disso, foi

selecionado tambem o protocolo AID para a comparacao com uma abordagem puramente

estatıstica.

Dois cenarios para simulacoes foram adotados nesta avaliacao de performance. O

primeiro cenario trata-se de um grid com mobilidade gerada atraves do simulador de

mobilidade SUMO. O segundo cenario e um ambiente real, alguns quarteiroes da cidade

de Belo Horizonte, Brasil, cuja mobilidade tambem foi gerada atraves do simulador de

mobilidade SUMO. Nas subsecoes a seguir serao descritos com mais detalhes os cena-

rios, os parametros de simulacao, as metricas utilizadas na avaliacao e os resultados das

54

simulacoes.

Na subsecao 5.1.2 e 5.1.3 sao apresentados os detalhes dos cenarios de simulacao,

dimensoes, formato e as vias. Em seguida, nas subsecoes 5.1.4 e 5.1.5 sao definidos os

parametros de simulacao. Na subsecao 5.1.6 sao descritas as metricas selecionadas para

comparacao de desempenho dos protocolos e finalmente a subsecao 5.1.7 apresenta as

discussoes e os resultados de simulacao.

5.1.2 Cenario de Simulacao em grid

A avaliacao do protocolo proposto TBD exige a implementacao de um cenario que

favoreca a ocorrencia do problema de broadcast storm. Para esta finalidade, definiu-se um

grid com 20 vias duplas, uniformemente espacadas em uma area de 2000 × 1000 metros.

Esta decisao se deve ao fato de ser um cenario urbano que apresenta condicoes semelhantes

para todos os veıculos.

Figura 15 – Cenario de simulacao implementado. Um grid com dimensoes 2000× 1000 metros


A Figura 15 apresenta o cenario implementado. Neste cenario, a mensagem parte

da origem O e deve percorrer o cenario ate alcancar o destino D, localizado no centro da

regiao de interesse. Como adiantado no Capıtulo 4, o ponto D e apenas um ponto de

referencia da regiao de interesse, de forma que o objetivo final da mensagem e alcancar

todos os veıculos em seu interior. No cenario da Figura 15, a regiao em verde representa

a regiao de interesse. Da origem O ate o destino D, a figura sugere tres rotas possıveis,

dentre as diversas que podem ocorrer para a entrega da mensagem a regiao de interesse.

No entanto, em termos de espaco existe uma rota otima, a que exigira menos saltos ate

que a entrega seja feita. O protocolo TBD em um cenario de densidade equivalente para

cada celula procura esta rota otima.

55

Para o presente cenario foi assumido que cada quarteirao tem 100 × 100 metros.

A Figura 16 representa cada intersecao entre as vias. Cada via apresenta duas faixas

de rolamento, uma para cada um dos sentidos. Alem disso, os cruzamentos sao dotados

de sinalizacao semaforica. Neste cenario de grid foi definido que os veıculos surgem de

maneira aleatoria e suas rotas sao definidas no interior do cenario, de forma que veıculos

nao podem surgir fora e adentrar o grid ou surgirem no interior do grid e saırem dele.

Figura 16 – Intersecoes entre vias do grid

Fonte: (VILLAS et al., 2012)

5.1.3 Cenario de Belo Horizonte

Em consonancia com o proposto pelo cenario de simulacao em grid, este cenario

de Belo Horizonte tambem favorece a ocorrencia do problema de broadcast storm. No

entanto, diferente das caracterısticas do grid, o espaco selecionado no presente cenario nao

apresenta vias uniformemente espacadas, o que permite uma abordagem mais realıstica

na simulacao.

A Figura 17 e uma ilustracao do mapa do centro da cidade de Belo Horizonte,

com dimensoes aproximadas de 1600 × 1000 metros com vias de dois bairros centrais,

Santo Agostinho e Lourdes. Alem da verificacao de desempenho do protocolo mediante as

metricas definidas, este cenario permite verificar o mecanismo de transmissao direcionada

via broadcast implementada. Para tal, foi bloqueado um quarteirao central do cenario, de

forma que o caminho da mensagem obrigatoriamente deve desviar do centro para alcancar

a regiao de interesse, fazendo uma curva pelo caminho mais denso de veıculos. A Figura

18 ilustra o bloqueio efetuado no cenario.

Neste cenario os veıculos surgem de maneira aleatoria, nunca no interior do quar-

teirao bloqueado e em nenhum momento tem acesso as vias internas do quarteirao. De

maneira diferente do cenario de grid, os veıculos podem sair do cenario delimitado uma

56

Figura 17 – Cenario de Belo Horizonte composto por vias dos bairros SantoAgostinho e Lourdes

Fonte: OpenStreetMap em 11/01/2020

vez que a rota do veıculo pode envolver parte de vias que nao estao no cenario e da mesma

forma podem surgir a partir de deslocamentos por essas vias.

5.1.4 Parametros de Simulacao para Cenario de grid

Dadas as dimensoes do cenario de grid implementado, 2000 × 1000 metros, definiu-

se como origem O da mensagem uma RSU localizada na posicao (200, 200) e na outra

extremidade do mapa, a regiao de interesse foi definida como os ultimos 400 × 400 metros,

com centro na posicao (1800, 800), identificado como destino D, conforme exemplifica a

Figura 15. Destaca-se que a unica funcao desta RSU neste ambiente de simulacao e o

inıcio da disseminacao, de forma que ela encaminhe a mensagem com destino a todos os

veıculos no raio de alcance de seu dispositivo de comunicacao, que e equivalente ao raio

de alcance dos dispositivos de comunicacao dos veıculos no cenario. Assumiu-se que o

dispositivo de comunicacao tem alcance equivalente a 250 metros.

O angulo do cone de retransmissao e definido de maneira dinamica, conforme in-

troduzido no Capıtulo 4. Para este cenario de grid, o angulo do cone de retransmissao

varia entre 100◦ e 130◦ conforme a densidade de veıculos, eliminando transmissoes de

veıculos que se encontram no espaco dos 260◦ e 230◦ fora do cone, respectivamente. Com

o objetivo de quantificar a evolucao do trafego neste cenario, a densidade de veıculos foi

57

Figura 18 – Cenario de Belo Horizonte com identificacao do quarteirao centralbloqueado

Fonte: OpenStreetMap em 11/01/2020

variada de 100 veıculos/km2 a 300 veıculos/km2. O trafego neste cenario foi gerado pelo

simulador de mobilidade SUMO.

A RSU posicionada nas coordenadas (200, 200) gera 1 mensagem de 2048 bytes aos

15 s de simulacao, com tempo de vida (time-to-live - TTL) equivalente a 30 s, dessa forma

definiu-se o tempo de cada simulacao como 55 s. O tempo maximo de espera atribuıdo

aos veıculos para que retransmitem via broadcast e de 500 ms seguindo valores usuais

encontrados na literatura.

Para o protocolo TBD no cenario de grid foram simuladas tres frequencias de

atualizacao de posicao junto a rede celular sendo elas 1, 5 e 9 segundos. Simulacoes

nessas condicoes poderao responder pelo desempenho do protocolo em situacoes em que a

comunicacao com a rede celular falhar, ou seja, a densidade de veıculos esta desatualizada.

5.1.5 Parametros de Simulacao para Cenario de Belo Horizonte

O cenario de Belo Horizonte apresenta dimensoes 1600 × 1000 metros. A partir

dessas dimensoes, definiu-se o local de origem da mensagem a ser disseminada a coorde-

nada (350, 350) a fim de se alcancar a regiao de interesse, tambem localizada na outra

extremidade do cenario. A regiao de interesse no cenario de Belo Horizonte foi definida

como os ultimos 600 × 350 metros, com centro na coordenada (1300, 825).

58

O tempo maximo de espera para retransmissao foi mantido o mesmo do cenario de

grid, bem como o alcance do raio de comunicacao e o angulo do cone de retransmissao.

No entanto, a frequencia de mensagens de localizacao foi definida como 1 s e a densidade

de veıculos neste cenario e de 100 a 250 veıculos/km2. A Tabela 2 resume os parametros

de simulacao.

Parametro Grid Belo HorizonteTamanho da area total 2000 × 1000 m 1600 × 1000 mTamanho da area da ROI 400 × 400 m 600 × 350 mOrigem da mensagem (200, 200) (350, 350)Tamanho da mensagem 2048 bytes 2048 bytesDestino da mensagem (1800, 800) (1300, 825)Tempo maximo de espera 500 ms 500 msAlcance do raio de comunicacao 250 m 250 mAngulo do cone de retransmissao 100o a 130o 100o a 130o

Frequencia de mensagens de localizacao 1, 5 e 9 s 1 sDensidades de veıculos 100 a 300 v/km2 100 a 250 v/km2

Tabela 2 – Resumo dos parametros de simulacao


A Tabela 3 apresenta os valores utilizados em simulacoes para adaptacao do angulo

do cone de retransmissao. Observe que o parametro que define a variacao da dimensao

do angulo do cone e a densidade de veıculos global, fornecida pela comunicacao via rede

celular, e a proposta deste trabalho lida com cenarios de altas densidades de veıculos. A

Tabela 3 e referencia para os dois cenarios avaliados neste estudo.

Densidade de veıculos Angulo

100 a 140 veıculos/km2 130o




Tabela 3 – Valores de adaptacao do cone de retransmissao, conforme densidadede veıculos


5.1.6 Metricas de avaliacao

A proposta deste protocolo pretende alcancar uma boa taxa de entrega utilizando

do recurso de rede de maneira eficiente, especialmente nao efetuando transmissoes desne-

59

cessarias, ou seja, nao dando conhecimento da informacao contida na mensagem a veıculos

que nao tem interesse nela. Para esta finalidade, as seguintes metricas foram selecionadas:

• Taxa de entrega na ROI: Representa o percentual de veıculos alcancados dentro

da regiao de interesse. O desafio nesta avaliacao e garantir uma cobertura total

desta regiao. Diferente da metrica anterior, quando a taxa de entrega em relacao a

regiao de interesse for alta, significa que a cobertura do protocolo e satisfatoria.

• Mensagens duplicadas: Esta metrica representa o total de mensagens repetidas

recebidas pelos veıculos durante o processo de disseminacao. Desempenham melhor

sob o ponto de vista desta metrica os protocolos que apresentarem um percentual

menor de mensagens duplicadas.

• Percentual de veıculos transmissores: Com esta metrica, e possıvel avaliar o

percentual de veıculos envolvidos durante a disseminacao. E importante destacar

que uma boa solucao deve garantir uma boa cobertura da ROI, evitando o overhead,

i.e., mensagens transmitidas desnecessariamente. Assim, quanto menor for essa

taxa, melhor sera o desempenho da solucao.

• Atraso medio na entrega: Esta metrica representa a media do tempo que uma

mensagem de dados leva para ser transmitida da origem ate o destino. Muitas

aplicacoes em redes veiculares apresentam restricoes de atraso, por exemplo, servicos

de alerta. Para estes tipos de aplicacoes, as mensagens devem ser disseminadas o

mais rapido possıvel.

• Numero de saltos: Esta e uma metrica que reflete o numero de veıculos envolvidos

na entrega da mensagem, ou seja, o numero de saltos entre o veıculo origem e o

veıculo receptor da mensagem. Para cada salto existe a recepcao, processamento

de decisao e a espera para a retransmissao, portanto, um numero de saltos menor

implica num atraso menor para a entrega.

Nao e objeto deste estudo mensurar o desempenho da rede celular, este e um

objetivo para trabalhos futuros. Neste trabalho, usufrui-se do benefıcio concedido pela

rede celular, o que pode fornecer intuicoes relacionadas ao custo-benefıcio de servicos em

redes veiculares orientados pela rede celular.

5.1.7 Resultados

5.1.7.1 Resultados para o cenario de Grid

Para o cenario de grid , foram efetuados um total de 50 replicacoes de simula-

coes. Os resultados apresentados a seguir representam a media dos valores obtidos com

60

essas replicacoes. As legendas dos graficos a seguir identificam como TBD 1 o protocolo

TBD com intervalo de atualizacao de localizacao de 1 segundo, TBD 5 para intervalo de

atualizacao de localizacao de 5 segundos e TBD 9 para 9 segundos.

O grafico da Figura 19 apresenta a taxa de entrega no interior da regiao de in-

teresse. Pode-se observar que os protocolos UV-CAST, AID e TBD com atualizacoes

de densidade de veıculos a cada 1 segundo apresentam comportamento semelhante, en-

tregando a mensagem em toda a regiao de interesse. Em razao do maior intervalo entre

atualizacoes de densidade, o protocolo TBD com atualizacoes a cada 5 e a cada 9 segundos

sofrem um pouco para entregarem a mensagem. Isso ocorre devido a falta de precisao nas

informacoes de localizacao, o que pode gerar atrasos e gargalos durante o encaminhamento

da mensagem ate a regiao.

Figura 19 – Taxa de entrega no interior da ROI no cenario em grid

Fonte: Dados de pesquisa

O grafico da Figura 20 apresenta o numero de mensagens duplicadas por veıcu-

los em todo o cenario. E possıvel observar que o protocolo TBD apresenta os melhores

resultados, pois limita o numero de mensagens transmitidas a poucos veıculos, consequen-

temente duplicando menos. De acordo com o seu funcionamento, que define um cone que

direciona a retransmissao das mensagens, a quantidade de veıculos retransmissores e redu-

zida. Mesmo com informacoes menos precisas, o protocolo TBD com atualizacoes a cada

5 e 9 segundos reduzem o numero de mensagens duplicadas em aproximadamente 50%

se comparado aos demais protocolos. Nota-se tambem que os demais protocolos, por nao

implementarem nenhum mecanismo de contencao na disseminacao, apresentaram valores

bem superiores e com crescimento acelerado conforme o aumento da densidade de veıcu-

los, entretanto, o protocolo TBD tende a aumentar o numero de mensagens duplicadas

61

mais lentamente, visto que a largura do caminho que a mensagem percorre e estatico e o

aumento de veıculos retransmissores so ocorre no interior dos cones de retransmissao dos

veıculos.

Figura 20 – Numero de mensagens duplicadas recebidas no cenario em grid


Ao observar a taxa de veıculos transmissores no grafico da Figura 21, verifica-se

conformidade com os resultados apresentados no grafico da Figura 20. A quantidade de

veıculos envolvidos na disseminacao pelo protocolo TBD e inferior em todas as densidades,

e reduz conforme a densidade de veıculos aumenta, fenomeno que fica mais evidente em

cenarios maiores, nos quais a quantidade de veıculos envolvido no caminho da mensagem

e um numero muito pequeno em relacao ao numero de veıculos que compreendem todo

o cenario. Ao comparar com as demais solucoes avaliadas neste cenario, pode-se verificar

que cerca de 25% dos veıculos estao envolvidos na disseminacao dos dados, o que explica

os resultados obtidos com relacao a metrica de mensagens duplicadas.

Pode-se observar os resultados para o atraso medio na Figura 22. Nota-se que

o protocolo TBD apresenta resultados bastante satisfatorios comparado aos demais da

literatura, igualando ao protocolo AID que tambem apresenta um atraso baixo. Tanto o

protocolo CARRO e UV-CAST adicionam atraso nas retransmissoes como mecanismo de

contencao para o problema de broadcast storm. Por esse motivo esses protocolos apresen-

tam valores superiores. Ao analisar o comportamento do TBD, pode-se notar um bom

desempenho do protocolo em todas as suas tres versoes, independente da densidade de

veıculos avaliada.

Ao analisar o numero medio de saltos efetuados na disseminacao Figura 23, observa-

se que em media o TBD apresenta 2 saltos a menos que os demais. A metrica atraso medio

62

Figura 21 – Percentual de veıculos transmissores em todo o cenario em grid


Figura 22 – Atraso medio para o alcance da regiao de interesse


apresentar valores inferiores para o protocolo TBD esta diretamente ligado a quantidade

de saltos efetuados da origem ao destino da mensagem, assim, por apresentar um numero

de saltos inferior, o protocolo TBD apresenta melhores resultados em termos de atraso

medio.

Alem dos resultados apresentados sob as metricas definidas na subsecao 5.1.6,

percebeu-se que o intervalo de tempo entre os acessos a rede celular para submissao das

novas posicoes pouco influenciou o desempenho do protocolo. Esta informacao sugere

63

que conforme o tempo passa, as densidades de veıculos no mapa nao sofrem mudancas

significativas em relacao aos segundos anteriores devido aos veıculos estarem limitados

pelas restricoes espaciais. Essa informacao contribui com a avaliacao de custo financeiro

dos acessos a rede movel, sugerindo que sao desnecessarios acessos muito frequentes devido

a nao agregarem informacoes capazes de refletir em melhoria no desempenho.

Figura 23 – Grafico do numero medio de saltos para o alcance da regiao deinteresse


5.1.7.2 Resultados para o cenario de Belo Horizonte

Para o cenario de Belo Horizonte, foram efetuados um total de 50 replicacoes de

simulacoes. Os resultados apresentados a seguir representam a media dos valores obtidos

com essas replicacoes.

O grafico da Figura 24 ratifica o apurado nas simulacoes do cenario de grid. Quando

verificada a taxa de entrega no interior da ROI, verifica-se que os protocolos AID, UV-

CAST e TBD mantem bom desempenho. Embora o desempenho destes protocolos sejam

semelhantes, o protocolo TBD nao apresenta 100% de taxa de entrega no interior da ROI

neste cenario, isso ocorre em funcao do quarteirao isolado no mapa nao estar perfeitamente

centralizado. Essa nao centralizacao faz com que replicacoes com densidade maior na parte

mais estreita do mapa (parte superior) provoca mais perdas de mensagens.

Por outro lado, a avaliacao sob o ponto de vista das metricas mensagens duplicadas

e percentual de veıculos retransmissores estao dispostas na Figura 25. A quantidade de

mensagens duplicadas em todas as densidades simuladas nao passa de 2 mensagens por

veıculo e se mantem estavel mesmo com o aumento da densidade. Esta informacao e

64

Figura 24 – Taxa de entrega no interior da ROI no cenario de Belo Horizonte


confirmada pela taxa de veıculos transmissores, que permanece sempre abaixo do protocolo

AID, o que desempenha melhor entre os tres protocolos da literatura selecionados. Alem

de transmitir um menor numero de mensagens, o numero de mensagens duplicadas e

pequeno devido ao mecanismo de transmissao direcionada implementado, com a definicao

do cone de retransmissao, que garante envios limitados geograficamente pelo cone.

Por ultimo a analise do atraso medio para a entrega das mensagens, bem como

o numero de saltos necessarios para que a mensagem alcance os veıculos na regiao de

interesse e apresentado na Figura 26.

Figura 25 – Numero de mensagens duplicadas e percentual de veıculos trans-missores


65

Figura 26 – Atraso medio na transmissao da mensagem e numero medio desaltos ate a ROI


Tal como apurado no experimento do cenario de grid, o atraso medio para a en-

trega da mensagem e muito baixo, apresentando desempenho pouco inferior ao protocolo

AID, que por sua natureza estatıstica apresenta retransmissoes mais rapidas. De maneira

semelhante, o numero medio de saltos para o alcande da regiao de interesse e menor na

solucao proposta em razao da preferencia de escolha por veıculos na borda do alcance

do raio do dispositivo de comunicacao. Embora outras solucoes tambem optem por esse

mecanismo, os veıculos selecionados no interior do cone, na borda, apresentam melhor

desempenho que os demais veıculos na borda de todo o raio de comunicacao.

Os resultados apurados no cenario de Belo Horizonte ratificam os resultados apre-

sentados no cenario de grid, com alteracoes ocorridas em virtude da assimetria do cenario

do mapa real bem como do quarteirao isolado, o oposto do cenario de grid que e perfeita-

mente simetrico.

5.2 Projeto Experimental

5.2.1 Introducao

A disseminacao de dados em redes veiculares e afetada por diversos fatores. Estes

fatores sao alvo de estudos para que protocolos sejam desenvolvidos e os explorem com

a finalidade de alcancar melhor desempenho em relacao aos objetivos da atividade de


Embora exista um grande numero de protocolos na literatura, poucos se propuse-

ram a identificar fatores que impactam na disseminacao de dados como forma de contribuir

66

para os estudos no campo das redes veiculares. Assim sendo, nesta secao sera apresen-

tado um projeto experimental com o objetivo de explorar alguns fatores fundamentais que

influenciam o desempenho de qualquer proposta de solucao para a disseminacao.

Nas subsecao 5.2.2 sera descrita a metodologia dos experimentos. Em seguida sera

apresentada a obtencao e caracterizacao dos dados com destaque para o cenario de redes

veiculares e a escolha dos fatores na subsecao 5.2.3. Por fim, a subsecao 5.2.4 apresentara

os resultados do projeto experimental com destaque para o conhecimento alcancado.

5.2.2 Metodologia dos Experimentos

Este estudo e baseado no projeto fatorial 2k. O projeto fatorial 2k, conforme

descrito por Raj Jain (JAIN, 1990), e utilizado para determinar o efeito de k fatores, cada

um com duas alternativas ou nıveis. O autor de (JAIN, 1990) avalia que esta classe de

projeto fatorial e facil de analisar e ajuda ordenar fatores em ordem de impacto. O projeto

fatorial 2k define que deve haver uma variavel resposta que e o resultado a ser mensurado

no experimento, alem de k outras variaveis que sao os fatores que afetam esta variavel

resposta, e cada um dos fatores possuem dois valores alternativos chamados nıveis.

Diz-se que os fatores interagem entre si, se o efeito de um depende do nıvel de outro.

Diante disso, foram feitas simulacoes para a obtencao dos dados a serem submetidos ao

projeto fatorial.

5.2.3 Obtencao e Caracterizacao dos Dados

Os dados utilizados para este projeto fatorial sao resultados de simulacoes executa-

das em simuladores de redes veiculares. O cenario de simulacao implementado e um grid.

A escolha do grid como cenario para avaliacao do protocolo deve-se a simplicidade de

implementacao e ao fato de apresentar condicoes equivalentes a todos os veıculos, repre-

sentacao considerada suficiente para avaliacao da capacidade de disseminar dados. Para

avaliacao dos protocolos, definiu-se um grid com 10 vias duplas uniformemente espacadas

em uma area de 1 km2 com quarteiroes de 100m x 100m. O trafego neste cenario foi

gerado pelo simulador de mobilidade SUMO e no centro do grid foi posicionada uma RSU

(Road Side Unit), responsavel pela criacao e envio da mensagem a ser disseminada.

A RSU participa da simulacao unicamente efetuando o envio de uma unica men-

sagem de tamanho 2048 bytes. Para cada densidade de veıculos foram simuladas 50

replicacoes e os resultados apresentam valores medios. A implementacao dos protocolos

bem como do cenario foi feita com a utilizacao do simulador de redes OMNET++ atraves

do framework de redes veiculares VEINS.

Para este experimento, e importante que os dados de simulacoes de fatores que

67

impactam a disseminacao de dados assumem valores extremos (JAIN, 1990). Neste es-

tudo foram avaliadas tres variaveis resposta, sendo elas: mensagens recebidas, mensagens

transmitidas e colisao de mensagens. Atraves da revisao bibliografica, levantou-se os se-

guintes fatores para este projeto fatorial: solucao adotada, densidade de veıculos e raio

de alcance do dispositivo de comunicacao. A seguir sao detalhados os fatores e os valores

assumidos nos dois nıveis do projeto experimental.

• Solucao adotada: o primeiro fator considerado para avaliacao e a solucao utilizada

para disseminacao. Diversas sao as solucoes existentes na literatura, mas para este

experimento foram selecionados os protocolos AID, e UV-CAST introduzidos no

Capıtulo 3. A escolha das duas solucoes se deve ao fato de serem fundamental-

mente diferentes, empregarem recursos distintos na estrategia, alem da aceitacao

da comunidade cientıfica mensurada pela referenciacao bibliografica. A Tabela 4

apresenta caracterısticas que distanciam as solucoes em termos do modo de funcio-

namento. Para este experimento, consideramos a solucao AID no nıvel -1 e a solucao

UV-CAST no nıvel 1.

Tabela 4 – Diferencas entre as solucoes adotadas.

AID UV-CASTDecisoes tomadas localmente, sem co-nhecimento dos vizinhos

Difusao de beacons para estimar topolo-gia a 1-salto.

Baseia-se em estatıstica. Baseia-se em informacoes de contexto

Trata apenas o problema de broadcaststorm

Tratamento do problema de broadcaststorm e do problema de particoes na rede

Emprega Distance-Based Scheme eDelay-Based Scheme

Emprega apenas Delay-Based Scheme


• Densidade de veıculos: o segundo fator selecionado e a densidade de veıculos no ce-

nario. Este fator e bastante utilizado na avaliacao de protocolos de disseminacao de

dados a fim de transparecer o comportamento do protocolo em cenarios com poucos

e muitos veıculos. Este fator independe do protocolo e nao e possıvel controla-lo,

entretanto, estima-lo e parte de muitos algoritmos que se propoe a solucionar os

problemas da disseminacao de dados. Notadamente, protocolos desempenham de

maneira diferente sob diversas metricas em cenarios com poucos veıculos se com-

parados com cenarios com muitos veıculos. Para esta avaliacao o fator densidade

assume o valor 60 veıculos/km2 no nıvel -1, representando cenarios esparsos e 350

veıculos/km2 no nıvel 1 representando cenarios densos.

68

• Raio de alcance do dispositivo de comunicacao: o terceiro e ultimo fator selecionado

e o raio de alcance do dispositivo de comunicacao. Os protocolos de disseminacao

de dados da literatura costumam utilizar alcances diversos em suas avaliacoes, in-

clusive alcances dinamicos, que se ajustam conforme a proposta do protocolo. De

modo geral, os alcances em metros variam de 150 a 300 metros, o que afeta conside-

ravelmente os resultados de simulacoes. Para esta avaliacao de fatores foi definido

o valor 150 metros no nıvel -1 e 300 metros no nıvel 1 para o alcance do dispositivo.

Alem disso, definiu-se que o alcance e estatico.

A Tabela 5 apresenta de forma resumida os fatores, seus identificadores e os valores

que assumem nos dois nıveis.

Tabela 5 – Fatores e valores assumidos nos dois nıveis.

ID FATORES -1 1

A Solucao adotada AID UV-CASTB Densidade de veıculos 60 350C Raio de alcance do dispositivo de comunicacao 150 300


5.2.4 Resultados

Dados os fatores descritos na subsecao 5.2.3, a Tabela 6 apresenta os fatores, suas

combinacoes e a simbologia adotada para exibicao dos resultados.

Tabela 6 – Representacao adotada para exibicao dos resultados.

Fatores Sımbolo

Solucao ADensidade BRaio da comunicacao CSolucao & Densidade ABSolucao & Raio da Comunicacao ACDensidade & Raio da Comunicacao BCSolucao & Densidade & Raio da Comunicacao ABC


A ideia por tras de um projeto fatorial 2k e que o valor da variavel resposta pode

ser obtido dos valores das variaveis xA, xB e xC usando o seguinte modelo nao linear:

y = q0 +qAxA +qBxB +qCxC +qABxAxB +qACxAxC +qBCxBxC +qABCxAxBxC (5.1)

69

Na Equacao 5.1, y e a variavel resposta, q0 e a media dos valores da variavel

resposta para todas as possibilidades de variacao dos fatores e cada uma das q∗ variaveis

e a influencia de um ou mais fatores na variavel resposta.

A B C AB AC BC ABC y

-1 -1 -1 1 1 1 -1 33.84-1 -1 1 1 -1 -1 1 92.84-1 1 -1 -1 1 -1 1 41.31-1 1 1 -1 -1 1 -1 83.341 -1 -1 1 -1 1 1 53.031 -1 1 -1 1 -1 -1 82.031 1 -1 -1 -1 -1 -1 42.121 1 1 1 1 1 1 62.74

Tabela 7 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta mensagensrecebidas.


A Tabela 7 trata da variavel resposta mensagens recebidas. Esta tabela representa

nas primeiras 3 colunas todas as possibilidades de valores assumidos para as variaveis A,

B e C. Os valores nas colunas em seguida sao os produtos dos valores dessas variaveis

interagindo entre si. Por ultimo, a coluna y representa a media de mensagens recebidas

das 50 replicacoes das simulacoes executadas. Dado o modelo nao linear 5.1 e a Tabela 7,

temos a seguinte equacao:

y= 61.41−1.42xA−4.02xB+18.83xC−3.52xAxB−6.42xAxC−3.16xBxC+1.07xAxBxC (5.2)

A Equacao 5.2 pode ser interpretada da seguinte forma. O numero medio de men-

sagens recebidas e 61.41, o efeito do fator solucao (qA) e -1.42, o efeito do fator densidade

de veıculos (qB) e -4.02 e o efeito do raio de alcance do dispositivo de comunicacao (qC) e

18.83. Em seguida a Equacao 5.2 exibe o efeito de combinacoes desses fatores.

O grafico apresentado junto a Tabela 7 descreve os resultados do projeto fatorial

para a variavel resposta mensagens recebidas. Este grafico nos revela a importancia de

se justificar a escolha dos valores para o raio de alcance do dispositivo de comunicacao.

Pode-se notar que o valor do raio de comunicacao escolhido, que aqui decidiu-se por

alternar entre 150 e 300 metros, tem aproximadamente 74.55% de impacto nos resultados

70

das simulacoes quando observada a variavel resposta mensagens recebidas. Tambem, em

todas as simulacoes em que o valor do fator C e 1, o valor de y e maior, ou seja, sempre

que o fator raio de alcance do dispositivo de comunicacao assumir o nıvel mais alto (300

metros), uma transmissao alcancara mais veıculos e portanto o numero de mensagens

recebidas sera maior.


-1 -1 -1 1 1 1 -1 24.85-1 -1 1 1 -1 -1 1 61.33-1 1 -1 -1 1 -1 1 28.84-1 1 1 -1 -1 1 -1 143.921 -1 -1 1 -1 1 1 28.481 -1 1 -1 1 -1 -1 42.401 1 -1 -1 -1 -1 -1 21.361 1 1 1 1 1 1 77.10

Tabela 8 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta mensagenstransmitidas.


y = 53.53−11.2xA +14.27xB +27.65xC−7.37xAxB−10.23xAxC +15.05xBxC−4.60xAxBxC

(5.3)

O grafico apresentado junto a Tabela 8 trata-se dos resultados do projeto fatorial

para a variavel resposta mensagens transmitidas, cujos efeitos dos fatores sao apresen-

tados na Equacao 5.3. Atraves deste grafico podemos verificar que o raio de alcance do

dispositivo de comunicacao permanece com grande influencia no numero de mensagens

transmitidas durante as simulacoes, corroborando o resultado apresentado anteriormente.

Embora apresentando impacto maior, 41,89%, os valores apresentados pelos demais fatores

nao devem ser descartados, afinal, tambem apresentam valores significativos. Observando

a Tabela 8 pode-se observar que quando a densidade de veıculos e alta e o raio de alcance

do dispositivo de comunicacao e alto, o protocolo AID transmite aproximadamente 2x o

numero de mensagens se comparado ao UV-CAST. Isso sugere que estrategias nao rıgidas,

ou seja, que se adaptam conforme a densidade de veıculos muda, podem ser mais eficientes

na decisao de retransmitir a mensagem.

71


-1 -1 -1 1 1 1 -1 7.63-1 -1 1 1 -1 -1 1 9.055-1 1 -1 -1 1 -1 1 11.85-1 1 1 -1 -1 1 -1 43.651 -1 -1 1 -1 1 1 55.571 -1 1 -1 1 -1 -1 74.841 1 -1 -1 -1 -1 -1 48.151 1 1 1 1 1 1 244.24

Tabela 9 – Resultados do projeto fatorial para variavel resposta colisoes demensagens.


y= 61.87+43.82xA+25.10xB+31.07xC+15.39xAxB+22.76xAxC+25.90xBxC+18.30xAxBxC

(5.4)

Por sua vez, a Tabela 9 apresenta os resultados do projeto fatorial para a variavel

resposta colisoes de mensagens. O grafico da Tabela 9 ressalta a influencia do fator

solucao adotada na analise de colisao de pacotes. Embora o protocolo UV-CAST transmita

apenas cerca de 50% do numero de mensagens que o protocolo AID no cenario mais

denso com raio da comunicacao mais alto, o UV-CAST provoca aproximadamente 5x

mais colisoes. Observe ainda que existem fatores nao relacionados neste experimento que

podem impactar mais que qualquer um dos relacionados no aspecto das colisoes, revelando

a necessidade de estudos mais profundos acerca do assunto.

Segundo (JAIN, 1990), esses valores percentuais permitem facilmente calibrar a

importancia dos fatores, ou seja, fatores com um percentual de variacao alto sao consi-

derados importantes. No entanto, o autor chama atencao para o fato de que um fator

que representa 60% de variacao pode representar ou nao 60% da variancia total de y e

que o percentual da variancia e bastante difıcil de computar, assim sendo, o percentual

de variacao e muito util no auxılio a tomada de decisoes.

O objetivo definido para este projeto experimental era de identificar a influencia de

alguns fatores na disseminacao de dados. Atraves da selecao dos fatores solucao adotada,

densidade de veıculos e raio de alcance do dispositivo de comunicacao, que estao envolvi-

dos em todos os cenarios de disseminacao de dados em redes veiculares, identificou-se a

72

importancia de se fundamentar a escolha do raio de alcance do dispositivo de comunicacao

em simulacoes.

73

6 CONCLUSAO E TRABALHOS FUTUROS

6.1 Conclusao

Neste trabalho foi proposto um protocolo de disseminacao de dados que permitisse

o encaminhamento de uma mensagem do local de emissao ate a regiao de interesse daquela

mensagem. Em seguida, no interior da regiao de interesse, a mensagem fosse difundida a

todos os veıculos interessados. Para este fim, o protocolo proposto utilizou a infraestrutura

existente nas cidades, a rede celular, como forma de comunicacao de controle. Cada

veıculo atualiza sua posicao via rede celular periodicamente, permitindo que os demais

veıculos da cidade conhecam as densidades de veıculos de cada regiao. Atraves desse

conhecimento, o protocolo TBD faz com que a mensagem seja transmitida por um caminho

orientado a densidade de veıculos, de forma que a mensagem a ser disseminada na regiao de

interesse nao seja entregue e retransmitida por veıculos fora da regiao de interesse ou fora

deste caminho da disseminacao. Os resultados de simulacoes mostraram que o protocolo

desempenha bem para o problema proposto, reduzindo de maneira expressiva o numero de

mensagens duplicadas assim como o numero de veıculos nao interessados na mensagem que

a recebem. Foi verificado tambem que o percentual de veıculos transmissores diminuiu,

o que explica a reducao no numero de mensagens duplicadas, sem mudanca significativa

na entrega aos veıculos no interior da regiao de interesse. Alem disso, foi observado

que o intervalo entre atualizacoes pouco interfere nos resultados de entrega e custo de

transmissoes, o que permite implementacoes com custos reduzidos mantendo-se registros

de localizacao desatualizados por mais tempo.

Tambem foi feito um estudo atraves do projeto experimental fatorial 2k em que tres

fatores foram analisados a fim de identificar qual deles mais influenciavam os resultados

da disseminacao, alem de quanto influenciavam. Os fatores definidos para o experimento

foram (1) solucao proposta, (2) densidade de veıculos e (3) raio de alcance do dispositivo

de comunicacao. Atraves do experimento concluiu-se que o raio de alcance do dispositivo

de comunicacao dos veıculos e o fator que mais influencia os resultados da disseminacao

de dados e sua escolha deve ser fundamentada visto que valores usuais na literatura

apresentam resultados discrepantes.

74

6.2 Trabalhos Futuros

Para trabalhos futuros, pretende-se utilizar do conhecimento dos veıculos sobre

seus destinos e velocidades para tornar as atualizacoes a rede celular dinamicas, sensıveis

as informacoes locais de cada veıculo na rede. Essas informacoes permitirao a tomada de

decisao mais inteligente acerca do intervalo de tempo entre as atualizacoes de posicao, o

que pode reduzir o numero de acessos a rede. Alem disso, pretende-se avaliar novas formas

para definicao da trajetoria, reduzindo a quantidade de veıculos transmissores sem com-

prometer a cobertura da disseminacao na regiao de interesse. Finalmente, implementar

solucao que atenda situacoes e cenarios em que a rede celular nao encontra-se disponıvel

em todas as regioes, bem como avaliar o desempenho da rede celular na disseminacao de

dados, inclusive utilizando-se dos recursos que as redes 5G hao de oferecer.

75

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Luiz Henrique da Costa Silva