Implementacao e monitorizacao de uma rede de sensores moveis para medicaoda qualidade do ar

Fabio Ferreira GameiroInstituto Superior Tecnico

Av. Prof. Anıbal Cavaco Silva, Oeiras, PortugalE-mail: [email protected]

Abstract

Neste relatorio e apresentado o modelo de comunicacoes a ser implementado no projeto URBISNET, um projeto demonitorizacao de dados atmosfericos usando um sistema movel integrado numa rede de autocarros. Transportar os dadosrecolhidos pelas estacoes moveis ate a um servidor central e o principal objetivo. As comunicacoes serao suportadas porredes moveis de operadores e uma rede ad-hoc estabelecida entre as estacoes moveis. Pretende-se que as comunicacoes porredes moveis de operadores sejam o mais reduzidas possıveis devido ao custo associado a estas. Com esse fator em contae apresentado o modelo de comunicacao ad-hoc, usando a tecnologia sem fios 802.11, entre as estacoes que assume umacaracterıstica hierarquica devido a haver diferentes tipos de nos na rede. Os nos poderao ser apenas produtores de dados(nos estacao movel de 2a ordem), nos produtores e encaminhadores (nos estacao movel de 1a ordem) de dados e finalmentenos recetores de dados (nos gateway).

1 Introducao

A monitorizacao dos gases atmosfericos, especialmente os poluentes e que poem em risco a saude das pessoas quandoencontrados em elevadas concentracoes, tem sido algo que tem preocupado as autoridades de saude publica e os proprioscidadaos cada vez mais. Os sistemas de monitorizacao de gases poluentes atualmente implementados sao de elevadasdimensoes e de caracter estatico localizados em certos pontos do paıs, com especial concentracao nas cidades devido aaglomeracao de agentes poluentes nos cenarios urbanos. As grandes dimensoes e elevados custos de producao e manutencaosao alguns dos principais problemas destas estacoes. O projeto URBISNET tem como objetivo a criacao de um sistemade monitorizacao atmosferico de reduzidas dimensoes, baixo custo e de caracter movel. Estas caracterısticas farao destesistema um sistema complementar a monitorizacao feita pelas estacoes fixas. O facto de serem de reduzidas dimensoes eterem um sistema de comunicacao que suporta mobilidade serao pontos chave para a instalacao destas estacoes numa redede transportes publicos, como sao os autocarros na cidade de Lisboa. Isto permitira recolher dados atmosfericos durante opercurso dos autocarros, permitindo ficar com uma imagem detalhada dos varios pontos da cidade por onde passam, naoficando limitado a poucos pontos como e o caso das estacoes fixas.

O foco deste relatorio sao as comunicacoes deste projeto e o modo de funcionamento das estacoes moveis. Cada estacaomovel de monitorizacao estara equipada com comunicacoes por redes de operadores moveis e comunicacao sem infra-estrutura (ponto-a-ponto entre estacoes). Pretende-se que as comunicacoes por redes de operadores moveis sejam o maisreduzidas possıvel devido ao custo que estas comunicacoes implicam, sendo o meio preferido de comunicacao para enviar osdados das estacoes moveis ate a um certo ponto da rede (gateways) usando uma tecnologia sem fios em modo ad-hoc e a par-tir desse ponto usar uma ligacao cablada a Internet para comunicar com o servidor central. A comunicacao ad-hoc propostaassenta nos pressupostos de comunicacao apenas num sentido (das estacoes moveis para os nos gateway), conectividadelimitada entre os nos e mobilidade segundo trajetos bem definidos. A topologia logica da rede e hierarquica devido a havernos com funcoes na rede distintas. Os dados recolhidos pelas estacoes moveis serao disponibilizados numa pagina web comum mapa de modo a ter uma representacao espacial das amostras. Alem da representacao dos dados havera uma interface

de gestao e monitorizacao das estacoes moveis de forma ter informacao sobre a sua configuracao e sobre as comunicacoessendo possıvel alterar configuracoes de forma remota.

O restante relatorio esta estruturado da forma apresentada de seguida. Na seccao 2 sao apresentados os objetivos dotrabalho. Em 3 sao apresentados fundamentos tecnologicos e conceitos relacionados com o trabalho a desenvolver. Naseccao 4 sao apresentados projetos de finalidade identica a este, protocolos de encaminhamento e trabalho ja desenvolvidono ambito do projeto URBISNET. Na seccao 5 e descrita a arquitetura da solucao. A seccao 6 descreve como sera avaliadoo trabalho desenvolvido. Finalmente em 7 sao apresentadas as conclusoes.

2 Objetivos

O projeto URBISNET tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de monitorizacao da poluicao atmosfericade uma determinada area, usando para esse efeito equipamento de baixo custo e de caracter movel. O objetivo final seraa colocacao desses equipamentos em autocarros a circular na cidade de Lisboa, fazendo a recolha dos dados a medida quepercorrem os seus trajetos normalmente. Este processo permitira aumentar a quantidade de amostras recolhidas na cidadepermitindo criar uma visao mais detalhada dos nıveis de certos gases atmosfericos na cidade e inferir sobre a qualidade do ar.

Para concretizar este objetivo sao necessarias estacoes moveis (MS) a serem colocadas nos autocarros, um servidor cen-tral (CS) que armazenara e disponibilizara a informacao e ainda gateways (GW) que funcionarao de intermediarios nacomunicacao das estacoes moveis e o servidor central. As estacoes moveis estarao equipadas com sensores de gases at-mosfericos para poderem fazer as medicoes, tecnologias de comunicacao para reportarem a informacao recolhida e ainda umsistema de posicionamento global para se conseguir saber a localizacao das amostras. Os dados adquiridos permitirao criarmapas de poluicao com resolucao espacial e temporal. Dado que entre a recolha dos dados e a chegada dos dados ao servidorcentral existira um relativo curto espaco de tempo, o sistema podera ser usado para alertas quase em tempo real em caso deserem detetados valores acima do normal dos gases atmosfericos monitorizados. No ambito desta tese de mestrado fazemparte tres componentes deste projeto:

• implementacao dos protocolos de comunicacao entre as estacoes moveis e o servidor central;

• construcao do sistema de armazenamento, tratamento e disponibilizacao dos dados recolhidos;

• desenvolvimento de uma ferramenta de gestao remota que permita monitorizar o estado dos nos da rede.

A comunicacao entre as estacoes moveis e o servidor central sera feita de duas formas distintas. A primeira sera efetuadarecorrendo as redes moveis de operador, atraves da Internet, para criar comunicacao direta entre as estacoes e o servidorcentral. A outra forma de comunicacao tera por base uma tecnologia sem fios de forma a criar uma comunicacao ad-hocentre as estacoes moveis e os gateways, a partir de onde serao encaminhado os dados para o servidor central atraves daInternet.

A criacao de dois sistemas de comunicacao distintos e motivada pelos elevados custos associados ao uso das redes moveisde operadores. A utilizacao de uma comunicacao alternativa tem como objetivo minimizar o uso (e custos associados) dasredes moveis a mensagens esporadicas de gestao e monitorizacao por parte do servidor central.

A arquitetura do sistema a implementar sera discutida de forma mais detalhada na seccao 5.

3 Fundamentos Tecnologicos

Nesta seccao serao apresentados breves conceitos e tecnologias que servirao de base para o desenvolvimento deste projeto.Na seccao 3.1 sao descritos alguns requisitos que o European Telecommunications Standards Institute (ETSI) definiu nos seusrelatorios sobre comunicacoes Machine to Machine (M2M). Posteriormente serao abordadas as tecnologias de comunicacaoque servirao de base para o desenvolvimento deste projeto, nomeadamente as comunicacoes General Packet Radio Service(GPRS) na seccao 3.2 e o sistema de comunicacoes sem fios WI-FI 802.11 com algumas das suas normas na seccao 3.4. Naseccao 3.3 sera abordado o sistema de navegacao global Global Positioning System (GPS). Finalmente serao referidas ascomunicacoes veiculares sem fios Vehicular ad-hoc network (VANET) na seccao 3.5.

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3.1 Comunicacoes Machine to Machine (M2M)

As comunicacoes M2M sao um topico bastante atual e a prova disso e o facto do ETSI estar a criar standards nesta area.O ETSI define M2M como comunicacoes sem (ou de reduzida) intervencao humana, usando tecnologias com ou sem fios,combinando eletronica, telecomunicacoes e tecnologias de informacao de modo a ligar dispositivos e sistemas remotos [1].Esta standardizacao surge para definir requisitos que podem ser tidos em conta no desenvolvimento de sistemas M2M e paraque haja interoperabilidade entre redes e servicos levando ao crescimento do desenvolvimento de aplicacoes nesta area.Numa das normas ja criadas pelo ETSI para comunicacoes M2M [8], sao especificados requisitos genericos do servico quepodem ser implementados nos sistemas M2M. Entre esses requisitos estao a capacidade de os sistemas M2M permitiremcomunicacao entre aplicacoes M2M utilizando varios meios como SMS, GPRS e acesso IP. Referem tambem que um dis-positivo M2M deve ser capaz de comunicar com outros dispositivos de forma ponto a ponto.Alem dos requisitos de caracter generico, sao apresentados outros requisitos na mesma norma:

• requisitos de gestao de faltas - requisitos ao nıvel de monitorizacao do servico e descoberta e recuperacao remotade faltas. Monitorizacao de SLAs se aplicavel (especialmente se houver contrato de comunicacoes moveis com umoperador);

• requisitos de gestao de configuracoes - permitir auto-configuracao, sem intervencao humana, ou alteracao das configuracoesremotamente;

• requisitos de gestao de contabilidade - capacidade de monitorizar o uso dos seus recursos, nomeadamente as comunicacoesfeitas utilizando redes moveis de operadores;

• requisitos funcionais - requisitos definindo as metodologias de recolha e envio de informacao, baseada em eventos,periodica ou a pedido;

• requisitos de seguranca - os requisitos de seguranca passam principalmente pela autenticacao dos agentes interve-nientes na rede M2M, confidencialidade, integridade e privacidade da informacao transferida;

• requisitos de nome, numeracao e enderecamento - explica a necessidade de conseguir identificar univocamente cadainterveniente na rede e conseguir estabelecer comunicacao com eles usando o seu endereco (endereco IP por exemplo).

O ETSI esta tambem a preparar relatorios tecnicos com casos de uso exemplificativos de algumas utilizacoes de M2M,estando alguns ja concluıdos e outros em versao ”draft”, como por exemplo o relatorio de cenarios de medicoes inteligentes[7] de recursos consumidos como gas, agua ou eletricidade em habitacoes.

3.2 General Packet Radio Service (GPRS)

O servico Global System for Mobile Communications (GSM) e o sistema de comunicacoes moveis de segunda geracaomais implementado e utilizado mundialmente, com cerca de 3.45 mil milhoes de ligacoes 1. O GPRS e um servico criadocom o intuito de permitir comutacao de pacotes usando a interface radio do servico de comunicacao de voz GSM, adaptadoaos requisitos tıpicos do trafego de pacotes. Tal como o GSM, o GPRS e baseado tambem num sistema de Time DivisionMultiple Access (TDMA) em que pode usar ate 8 slots da trama TDMA para comutacao de pacotes. A quantidade de slotsusada pode ser ditada por um valor mınimo caso o operador estipule tal parametro e pela utilizacao da rede movel, umavez que o GPRS utiliza tipicamente apenas as slots desocupadas. O debito conseguido numa ligacao GPRS, alem de estarassociado ao numero de slots utilizados, esta tambem associado a codificacao usada. Esta codificacao e variavel conforme ataxa de erros no meio e pode ter uma codificacao mais robusta que oferece menos debito ou menos robusta mas que oferecemais debito. As velocidades conseguidas numa ligacao GPRS podem ser visualizadas na tabela 3.2.

Como ja referido anteriormente, o GPRS e uma evolucao da rede GSM para suportar comutacao de pacotes e em parte oseu sucesso deve-se as poucas alteracoes que os operadores tiveram de fazer na sua rede para o implementar em larga escala.Na arquitetura do GSM apenas se adicionou dois novos elementos, o Gateway GPRS Support Node (GGSN) e o ServingGPRS Support Node (SGSN). O primeiro, o GGSN, e o elemento que interliga a rede GPRS a redes externas de comutacaode pacotes e tem funcionalidades de encaminhamento e firewall.

1Dados do mercado de telecomunicacoes do GSM World: http://www.gsmworld.com/newsroom/market-data/market_data_summary.htm

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Codificacao 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 Slot 5 Slot 6 Slot 7 Slot 8 SlotCS-1 9.05 18.2 27.15 36.2 45.25 54.3 63.35 72.4CS-2 13.4 26.8 40.2 53.6 67 80.4 93.8 107.2CS-3 15.6 31.2 46.8 62.4 78 93.6 109.2 124.8CS-4 21.4 42.8 64.2 85.6 107 128.4 149.8 171.2

Tabela 1. Debitos binarios do GPRS em kbit/s [23]

O SGSN tem como funcoes encaminhamento, handover e contabilizacao de dados para fins de cobranca ao cliente. Talvez acaracterıstica mais importante deste elemento seja o handover e a capacidade de identificar a mobilidade do terminal GPRSna rede mantendo a sua conectividade quer ele mude de celula ou de zona controlada por outro SGSN, neste ultimo caso,enviando o contexto da ligacao para o novo SGSN [2].

A identificacao IP dos terminais GPRS pode ser feita de duas maneiras: atribuicao fixa ou dinamica de IP [16]. A atribuicaofixa de IP envolve que o Home Location Register (HLR), elemento que funciona como base de dados de informacoes rela-cionadas com o cliente da operadora, guarde tambem o endereco IP. Esta solucao e a menos usada pelos operadores pois,alem da conhecida falta de enderecos IPv4 existente que torna esta solucao praticamente inviavel, tornaria os terminais GPRSmais vulneraveis a ataques mesmo que o ataque fosse apenas gerar trafego por parte do terminal, que tem ainda um custorelativamente elevado para o cliente quando comparado com outras redes de pacotes.

Figura 1. Arquitetura de rede do sistema GPRS

A segunda solucao envolve uma atribuicao de IPs dinamica em conjunto com Network Address Translation (NAT) paratraduzir os enderecos IP privados usados na rede do operador para IP publicos. Este processo e realizado no GGSN. Estemecanismo tem a vantagem de necessitar de menos IPs publicos para enderecar os equipamentos pois, estatisticamente, naoestarao todos com ligacoes GPRS ativas ao mesmo tempo. A principal desvantagem desta solucao e, no caso de se quererque o terminal GPRS forneca servicos, o enderecamento desses terminais uma vez que o seu IP sera dinamico. Uma solucaosera comunicar o seu IP aos clientes do servico sempre que obtenha um novo IP.A capacidade de elevada mobilidade numa comunicacao sem fios e com elevada cobertura geografica por parte dos operadoreslevou que a tecnologia GPRS fosse amplamente utilizada, como previsto na altura em que foi apresentada [2], em solucoesbastante diversas como por exemplo na localizacao e monitorizacao de frotas, pontos de venda moveis, transmissao de dadosde sensores e ligacoes de alarmes a centrais.

3.3 Global Positioning System (GPS)

A navegacao terrestre baseada em satelites comecou algum tempo antes do aparecimento do GPS, nomeadamente os sis-temas TRANSIT e Timation da Marinha dos Estados Unidos e o projeto 621B da Forca Aerea dos Estados Unidos [24]. Odesenvolvimento do GPS comecou em 1973 e apenas em 1994 ficou totalmente operacional com um total de 24 satelitesem orbita. Pouco tempo depois, o servico GPS foi disponibilizado para uso civil (anteriormente apenas usado para efeitos

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militares nos Estados Unidos) mas de forma limitada, visto o sinal GPS ter sido degradado de forma propositada para limitara eficacia da localizacao. Esta degradacao propositada do sinal ficou conhecida como Selective Availability (SA). Apenasem Maio de 2000 foi retirado esse erro 2 tornando o sistema muito mais exato, possibilitando erros inferiores a 10 metros.Este facto veio ajudar a proliferar o uso de GPS, para fins de localizacao e acerto de relogios, em varias atividades 3 comopor exemplo na agricultura, aviacao, ambiente, lazer, viacao, estando tambem largamente espalhados pela sociedade quer naeletronica de consumo como e o caso dos telemoveis quer em muitos automoveis existentes no mercado.

O sistema GPS e constituıdo por uma constelacao de 24 satelites Medium Earth Orbit (MEO) equipados de relogios deelevada precisao, denominados relogios atomicos, em que a posicao (altitude, longitude e latitude) do elemento a localizarna Terra e calculada por meio do calculo de distancias entre os satelites e esse mesmo elemento, de forma a ser possıvel fazera triangulacao da sua posicao. Para tal sao necessarios no mınimo 4 satelites, 3 para inferir a posicao fısica do elementoa superfıcie da terra e um quarto para calcular desvios do relogio [24] e tornar a localizacao mais precisa. A principaldesvantagem do sistema GPS e a necessidade de linha de vista entre os satelites e o recetor terrestre devido a elevadafrequencia usada neste sistema, cerca de 1.5 GHz, tornando um sistema particularmente sensıvel a obstrucao causada, porexemplo, por edifıcios ou vegetacao elevada que podem bloquear completamente o sinal ou criar o fenomeno de multi-caminho, causando erros na localizacao. Atualmente estao a ser desenvolvidos outros sistemas de navegacao por satelite,quer globais como o europeu Galileo 4, o chines Compass 5 ou o russo Glonass 6 quer regionais como por exemplo o sistemada India, o IRNSS 7. As principais motivacoes para estes sistemas em desenvolvimento sao a melhor precisao e coberturacriando um sistema alternativo ao sistema Americano GPS para que nao haja dependencia total do mesmo.

3.4 IEEE 802.11

As redes locais sem fios, em Ingles Wireless Local Area Network (WLAN), tem um conjunto de vantagens como aflexibilidade, a capacidade de estabelecer redes ad-hoc, nao necessitar de cabos para estabelecer ligacao e a sua robustezem casos de catastrofe. Por outro lado, apresentam algumas desvantagens em relacao as redes cabladas, como a baixalargura de banda, suscetıveis a mais interferencias, limitacao de debito e alcance devido a obstaculos fısicos. O standarddo Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11, amplamente denominado como Wi-Fi, e com certeza omais conhecido e implementado para redes locais sem fios. Este standard, com a primeira versao final lancada em 1997,veio definir especificacoes para as duas primeiras camadas do modelo OSI, a camada Medium Access Control (MAC) (donıvel de ligacao de dados) e a camada fısica. De referir que um dos objetivos ao estabelecer esta norma foi usar espectrolivre de licenca para operar, usando por isso frequencias a 2.4GHz e 5GHz que pertencem as bandas Industrial, Scientific andMedical (ISM), que podem ser usadas de forma livre para comunicacoes.

AplicacaoApresentacaoSessaoTransporteRedeLigacao de DadosFısica

Tabela 2. Camadas do Modelo OSI

A primeira versao do standard nunca teve muito sucesso, muito por culpa dos baixos debitos que conseguia alcancar nasprimeiras especificacoes do modelo fısico, entre 1 e 2 Mbit/s. Por este motivo nunca teve grande sucesso comercial e tambemporque avancos no desenvolvimento de modelos fısicos levaram ao aparecimento de uma emenda a este standard poucos anosdepois, a norma 802.11b.

2Selective Availability: degradacao do sinal GPS http://www.pnt.gov/public/sa/3Exemplos de uso da tecnologia GPS: http://www.gps.gov/applications4Sistema de navegacao global europeu, Galileo: http://ec.europa.eu/enterprise/policies/satnav/galileo/index_en.htm5Sistema de navegacao global chines, Compass: http://www.beidou.gov.cn/index.html6Sistema de navegacao global russo, Glonass: http://new.glonass-iac.ru/en/7Sistema de navegacao regional indiano, IRNSS: http://www.india-defence.com/reports-1894

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3.4.1 Arquitetura 802.11

A norma 802.11 especifica dois tipos de arquitetura para as suas redes sem fios quanto ao tipo de infraestrutura, o modo cominfraestrutura e o modo ad-hoc (sem infraestrutura). O modo infraestrutura e baseado num ponto central, denominado pontode acesso (AP), onde os terminais (STA) estao ligados sem fios. O conjunto formado pelo ponto de acesso e pelos terminaisa si associados e denominado Basic Service Set (BSS). Adicionalmente existe uma arquitetura independente de pontos deacesso, constituıda apenas por terminais que comunicam entre si e formam uma Independent BSS (IBSS). Esta arquiteturade redes denomina-se ad-hoc.

Figura 2. Diagrama exemplo da arquitetura dos modos infraestrutura e ad-hoc

3.4.2 IEEE 802.11b

Em 1999, dois anos depois de ter sido finalizado o standard original 802.11, estava pronto uma emenda designada 802.11b.A principal alteracao foi feita ao nıvel fısico do protocolo, adicionando uma modulacao Complementary Code Keying (CCK)que permite um debito de 5.5 e 11 Mbit/s alem dos 1 e 2 Mbit/s que as modelacoes Differential Binary Phase Shift Keying(DBPSK) e Differential Quadrature Phase Shift Keying (DQPSK) permitem, respetivamente. Tal como na norma original, anorma b opera em diferentes frequencias (ou canais) dentro do espectro dos 2.4 GHz. A existencia de canais em frequenciasdiferentes permite fazer um planeamento de cobertura com diferentes pontos de transmissao minimizando a interferenciaentre eles. Segundo a norma existem 13 canais definidos para territorio europeu (11 para os Estados Unidos e 14 para oJapao) mas para efeitos de minimizacao de interferencias, apenas se consegue criar celulas com 3 canais nao sobrepostos emfrequencias (totalmente disjuntas). O aumento de debito e a sua conclusao pouco depois do standard original, fez do 802.11ba norma com maior sucesso comercial dentro da famılia 802.11, levando a sua massiva adocao.

3.4.3 IEEE 802.11a

Definido pela primeira vez tambem em 1999 como o 802.11b, a norma 802.11a distingue-se bastante deste, comecando logona zona do espectro eletromagnetico, ocupando a banda dos 5 GHz ao inves dos 2.4 GHz. A zona do espectro a que opera foitambem um entrave quer no desenvolvimento de equipamentos quer na sua normalizacao na Europa [23], levando o 802.11ba melhor na altura da massificacao das redes locais sem fios. Por outro lado, a norma 802.11a define uma nova camada fısica,que permite atingir elevados debitos. Em primeiro lugar utiliza Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), queconsiste em enviar os dados por portadoras diferentes, minimizando assim o efeito de interferencia inter-simbolica a que ascomunicacoes a elevadas frequencias estao mais sujeitas. A outra chave dos elevados debitos sao as modulacoes usadas:BPSK, QPSK e sobretudo as modelacoes n-Quadrature Amplitude Modulation (QAM), neste caso com ’n’ igual a 16 e 64.Com estas modulacoes, em conjunto com um codigo de correcao de erros, permite debitos ate 54 Mbit/s. Apesar de maioresvelocidades, devido a frequencia de trabalho nos 5 GHz, a comunicacao entre elementos da rede esta limitada a uma distancia

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inferior ao 802.11b, degradando-se mais rapidamente a comunicacao (e respetivos debitos conseguidos) quando se aumentaa distancia ou introduz obstaculos fısicos entre os elementos intervenientes. No entanto o espectro na zona dos 5 GHz temmenos equipamentos e tecnologias a operar, o que pode ser uma vantagem para evitar interferencias em locais com elevadaconcentracao de sinais na zona dos 2.4 GHz.

3.4.4 IEEE 802.11g

A norma 802.11g foi concluıda em 2003 e e considerada uma evolucao da norma 802.11b uma vez que opera na mesmabanda e permite debitos mais elevados, garantindo compatibilidade direta e inversa entre equipamentos que implementemessas normas. Para garantir debitos ate 54Mbit/s, a semelhanca do 802.11a, utiliza OFDM com codigo de correcao de errosem conjunto com as modulacoes apresentadas para o 802.11b. Esta norma conseguiu um sucesso global ao nıvel do 802.11bvisto ter custos de producao identicos e melhores debitos. Debitos esses que, apesar de estarem ao nıvel do 802.11a, pecamna realidade por ter um debito inferior para o utilizador (throughput) e, mais uma vez, estando na faixa dos 2.4 GHz estanuma frequencia muito mais populada por outras tecnologias e equipamentos o que introduz mais interferencias.

3.4.5 IEEE 802.11p

De todas as normas 802.11 referidas, a IEEE 802.11p e a mais recente de todas, tendo sido apenas finalizada em Julhode 2010 8. O objetivo do IEEE ao iniciar os trabalhos nesta norma foi desenvolver alteracoes ao standard 802.11 paraser usado no espectro das Dedicated Short Range Communications (DSRC), regulamentado nos Estados Unidos na bandados 5.9 GHz [10]. Adicionalmente, esta norma e tambem conhecida Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE)uma vez que as comunicacoes no espectro DSRC serao exclusivas para comunicacoes entre veıculos e entre veıculos einfraestruturas rodoviarias. Com o objetivo de permitir comunicacao entre veıculos, existem alguns constrangimentos a terem conta como por exemplo a elevada mobilidade dos agentes e o reduzido tempo em que os intervenientes da comunicacaopoderao comunicar entre si (por exemplo um veiculo em alta velocidade que passa por um elemento localizado na berma daestrada).

As alteracoes mais significativas feitas nesta norma foram ao nıvel MAC. Foram simplificados os processos de adesao aum grupo, ou BSS, de forma a haver menos overhead e tornar o processo mais rapido. Existe tambem um identificador deBSS, ou Basic Service Set Identification (BSSID) de caracter universal para que se possa receber e enviar informacao paraterminais que estejam perto mas que nao estejam no mesmo grupo BSS.

Do ponto de vista da camada fısica e bastante parecido ao 802.11a, visto operar perto das mesmas frequencias e de utilizarOFDM. Difere apenas no numero inferior de canais (7 canais WAVE) e na largura de banda de cada (apenas 10 MHz, emcontraste com os 20 MHz do 802.11a).

3.4.6 802.11 - Conclusoes

Ao longo dos anos o IEEE foi lancando emendas a norma original 802.11 para, sobretudo, oferecer maiores debitos. Deforma a sumarizar as normas apresentadas anteriormente, estao representadas na tabela 3.4.6 algumas caracterıstica que aspermitem comparar.

Norma 802.11b 802.11a 802.11g 802.11pDebito (Mb/s) 11 54 54 27Throughput (Mb/s) 6 32 22 -Alcance em linha de vista (m) 100 50 100 1000Vantagens Custo Interferencia e Velocidade Custo e Velocidade Mobilidade e alcanceDesvantagens Interferencia Custo e Alcance Maior interferencia Custo

Tabela 3. Comparacao das caracterısticas das normas 802.11 apresentadas.

Dado o 802.11p ser uma norma recente nao foi encontrada informacao do seu throughput. Tambem por ser recente e umanorma ainda difıcil de encontrar implementada em equipamentos comerciais.

8Linha de tempo dos grupos de trabalho do IEEE 802.11 http://grouper.ieee.org/groups/802/11/Reports/802.11_Timelines.htm

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3.5 Vehicular ad-hoc network (VANET)

As redes designadas VANET derivam da terminologia de Mobile ad-hoc network (MANET), em que os elementos moveisda rede ad-hoc sao especificados como sendo veıculos [13] e daı a variante da nomenclatura. As VANET distinguem-se dasMANET e outras redes ad-hoc por terem uma topologia altamente dinamica, maior probabilidade de estarem desconectadasda rede, nao haver problemas de fornecimento de energia ou de armazenamento de informacao, necessidade de enderecarelementos geograficamente e necessidade de conseguir baixos valores de atraso no envio de informacao. As redes veicu-lares (VANET) sao um elemento de investigacao e pesquisa atual dado o crescimento do interesse em dotar os veıculos demecanismos de comunicacao entre eles para aumentar a seguranca das estadas em todo o mundo. Os principais elementos deinvestigacao estao centralizados nas tecnologias de comunicacao DSRC (como por exemplo o 802.11p ja referido), encamin-hamento, seguranca, privacidade, consumo energetico, entre outros [9]. Em termos de comunicacoes veiculares existem doisparadigmas de comunicacao, destingindo os intervenientes:

• Vehicle-to-Vehicle (V2V) - Comunicacoes entre veıculos num modelo ad-hoc, recorrendo a tecnologias como 802.11pque permitem um elevado alcance e e adequada as condicoes de elevada mobilidade dos veıculos. Comunicacaoprivilegiada para alertar os veıculos circundantes de perigos em curto espaco de tempo;

• Vehicle-to-Infrastructure (V2I) ou Vehicle-to-Roadside (V2R) - Comunicacoes entre o veiculo e uma rede cominfraestrutura viaria fixa. Util para receber informacoes relevantes sobre a envolvente da localizacao do veıculo.

A implementacao deste tipo de comunicacoes viarias ainda nao esta massificada, encontra-se em fase de investigacaoe desenvolvimento de solucoes, envolvendo fabricantes automoveis e organizacoes governamentais. Pretende-se que sejadevidamente regulamentada visto que a sua principal funcao e a seguranca viaria, daı que a interoperabilidade entre osdiversos equipamentos, quer presentes nos veıculos quer nas vias, tera de ser assegurada.

4 Trabalho Relacionado

Nesta seccao serao apresentados alguns trabalhos e projetos comerciais ou academicos (alguns desenvolvidos ja no ambitodo projeto URBISNET) que partilham conceitos com este projeto. Na seccao sao referidos dois exemplos de monitorizacaode gases atmosfericos, um de caracter movel e outro de caracter estatico. Em 4.2 e dada relevancia aos testes efetuados noambito de de comunicacao inter-veicular ao nıvel da utilizacao das tecnologias 802.11b e g para efetuar essa comunicacoes.O encaminhamento em redes veiculares e alguns algoritmos usados nesse tipo de redes sao abordados na seccao 4.3.Ja no ambito do projeto URBISNET e referido o trabalho ja efetuado no topico de minimizacao do numero de nos gateway(na seccao 4.4) e tambem a escolha do hardware usado nas estacoes moveis (na seccao 4.5).

4.1 Monitorizacao de gases atmosfericos

O desenvolvimento de uma estacao movel, de pequenas dimensoes, para monitorizacao de gases atmosfericos foi o topicoda tese de mestrado de Vasco Carvalho [4]. A estacao criada continha sensores de gases atmosfericos (dioxido e monoxidode carbono, ozono, dioxido de enxofre e dioxido de nitrogenio) e temperatura em que os seus valores eram comunicadosa um servidor central via GPRS. Na comunicacao foi usado o protocolo Hypertext Transfer Protocol (HTTP) para enviaros dados obtidos dos sensores para o servidor web localizado no servidor central. Os dados sao posteriormente guardadosnuma base de dados e disponibilizados via web. A estacao estava equipada com GPS o que permitia saber a origem dasamostras e tambem que fosse usada uma distancia mınima entre amostras a ser enviada para o servidor. Para efetuar o calculodas distancias foi usada a formula de Haversine [19] para calcular a distancia entre duas coordenadas obtidas pelo GPS.Em relacao a este projeto, o URBISNET acrescenta uma comunicacao das estacoes moveis para o servidor independentedas redes moveis para minimizar o custo associado a estas comunicacoes. Permitira tambem que haja comunicacao entre oservidor central e as estacoes moveis para fins de monitorizacao e gestao de rede.

As estacoes de monitorizacao de gases atmosfericos mais comuns sao as estacoes fixas, contentores de media dimensao lo-calizados em varios pontos do paıs. O projeto QualAr 9, pertencente ao Ministerio do Ambiente e Ordenamento do TerritorioPortugues, tem estacoes dispersas por Portugal (com maior concentracao nas grandes cidades) e monitorizam os valores devarios gases atmosfericos. Estas estacoes, como a representada na figura 4, sao de grandes dimensoes ocupando um espaco

9Website do projeto QualAr: http://www.qualar.org/

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Figura 3. Estacao movel de monitorizacao de gases atmosfericos [4]

consideravel, causam elevado impacto visual e tem um consumo energetico elevado. Os dados recolhidos por estas estacoessao tambem enviados para um servidor central e disponibilizados no website do projeto.

Figura 4. Estacao de monitorizacao QualAr localizada em Sao Juliao da Barra, Oeiras

4.2 Comunicacao Veicular

O projeto CARLINK 10, criado por um consorcio de universidades europeias, teve como objetivo desenvolver um sistemade comunicacoes sem fios para usar em comunicacoes entre carros. No ambito deste projeto foram conduzidos testes paraverificar a fiabilidade das tecnologias 802.11b/g na transmissao de dados entre 2 veıculos quer estando ambos estaticos querem movimento [5]. Apos a realizacao dos testes concluıram que em situacoes sem movimento, conseguiam debitos na ordemdos 0.5 MB/s a uma distancia de 20 metros com uma baixa perda de pacotes (abaixo dos 0.3%). Quando a distancia foiaumentada para 100 metros, os debitos desceram para cerca de 0.3 MB/s. Num cenario com mobilidade urbana (a 50 Km/h),em que a distancia entre veıculos nao ultrapassou os 50 metros, foram conseguidos resultados bastante diferentes em variastentativas. Isto acontece devido aos fatores externos como o aparecimento de obstaculos (carros e pessoas por exemplo).Ainda assim, foram conseguidos valores mınimos de 0.07 MB/s e maximos de 0.65 MB/s de debitos. A perda de pacotes emalguns casos passou os 14%. Com estes dados concluıram que estas tecnologias permitem debitos razoaveis em casos emque os veıculos estejam parados mesmo que a distancias elevadas (100 metros). Quando em movimento num cenario urbano,e devido a fatores externos variaveis, o debito pode ser bastante inferior, nao sendo ideal transmitir grandes quantidades dedados nestas circunstancias.

10Website do projeto CARLINK: http://carlink.lcc.uma.es/index.html

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Em [3] e tambem apresentado um conjunto de testes efetuados em alguns ambientes reais (campo aberto, sub-urbano eurbano) com a tecnologia 802.11b colocada em veıculos de forma a perceber a deterioracao do sinal nestes cenarios comveıculos em movimento. A metrica usada foi uma variante da perda de percurso (path loss), denominada exponente da perdade percurso ou Path Loss Exponent (PLE). Uma das conclusoes a que chegaram foi que em comunicacoes em linha de vista,e que os valores de PLE tem um aumento significativo em distancias ate 50 metros, independentemente das potencias detransmissao, alturas do dia, condicoes de trafego ou tipo de veıculos. Atribuem este efeito ao fenomeno de multi-percursodo sinal devido a reflexoes. Concluem tambem que que nos tres cenarios que contemplam, o valor de PLE e identico emtodos mas no cenario urbano, devido a conter mais obstrucoes e do seu padrao ser mais variavel, e aquele onde os valores saomenos fiaveis. Em cenarios de comunicacao sem linha de vista o aumento do PLE e consideravel em cenarios sub-urbano eurbano devido a ao sinal percorrer uma maior distancia (relativamente ao caminho direto). Nos testes realizados, foi aindamedido o throughput conseguido em funcao da distancia dos nos, no cenario urbano. Os valores registados (apresentados nafigura 5), com maximos na ordem dos 55 Kb/s, estao proximos dos verificados no projeto CARLINK referido anteriormente.

Figura 5. Throughput em funcao da distancia entre nos no cenario urbano. A cinzento claro sao osvalores registados com comunicacao em linha de vista e a cinzento escuro sem linha de vista [3]

A fiabilidade de um sistema de alerta de acidentes de carros usando tecnologia 802.11 foi analisada em [25]. A normausada nos testes foi a 802.11g pois oferece um maior alcance quando comparado com a norma 802.11a, (apesar de ter tambemmaior latencia) chegando a um maior numero de nos apenas com um salto. A latencia medida em simulacao foi de 0.002057segundos para um unico salto na rede, que para o sistema alvo da aplicacao, e um valor aceitavel.

4.3 Encaminhamento em redes ad-hoc

O encaminhamento em redes veiculares (VANET) tem sido tema de bastante estudo e investigacao. O estudo destas redestem sido tambem focado na criacao de novos protocolos de encaminhamento, muitas vezes recorrendo a modificacao deprotocolos existentes para redes MANET. A modificacao de protocolos direcionados para MANET, como o Ad-hoc On-demand Distance Vector (AODV) [22] e o Dynamic Source Routing (DSR) [11], deve-se facto de ambas partilharem osmesmos princıpios, nomeadamente a auto-organizacao, auto-gestao, baixa largura de banda e o facto de serem transmissoesde reduzida distancia. Para melhorar a performance de protocolos destinados a MANET, sao usados o posicionamento dosnos e limitacoes na movimentacao dos nos, tendo em conta em ambiente veicular urbano, para efetuar predicoes sobre oposicionamento dos nos e do estado da ligacao.

Em [20] e analisada a performance do protocolo AODV em ambiente de auto-estrada com varios nos distribuıdos de formauniforme pelo percurso. Sendo o AODV um protocolo que funciona na descoberta de rotas desde uma origem para um certodestino, apenas quando necessita de comunicar, assim que e estabelecida uma rota entre esses dois pontos, esta tera um tempode vida bastante limitado devido a elevada dinamica da rede. No artigo referido indicam que em media uma rota criada peloAODV dura apenas 5 segundos, necessitando assim de criar outra rota. E sugerido duas alteracoes ao AODV, a PRAODVe a PRAODV-M. A primeira, acrescenta parametros as mensagens de pedido (RREQ) e resposta (RREP) de criacao de rota,incluindo a velocidade e localizacao do no origem que permite os nos subsequentes calcularem uma estimativa da duracaoda rota. No final o no origem sabem qual o valor mınimo do tempo de vida estimado das rotas que recebe para o mesmodestino usa a que tem um menor numero de saltos (tal como o AODV). No entanto, antes de se atingir o valor estimado de

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vida da ligacao, e enviado novos pedidos de rota de maneira a que nao se tenha de esperar pela perda de pacotes para havera inicializacao do processo de escolha de nova rota. Ja o processo PRAODV-M escolhe a rota que apresenta o maior valorestimado do tempo de vida. A avaliacao dos tres protocolos efetuada levou a conclusao que o PRAODV-M e o que apresentaos melhores resultados em termos de racio de entrega de pacotes. No entanto nem sempre consegue resultados acima doAODV.

4.3.1 Uso de redes de transportes publicos para melhorar o encaminhamento em VANETs

A existencia de veıculos com rotas bem definidas num ambiente citadino, como a rede publica de autocarros ou eletricos,pode ajudar no encaminhamento de trafego. Foi a esta conclusao que chegaram os autores do artigo [26]. Neste artigo foiusado um simulador de redes para criar um cenario urbano com varios veıculos simulando o seu padrao de movimentacao.Chegaram a conclusao, que neste ambiente conseguem apenas 76.15% de racio de entrega de pacotes. No entanto, adi-cionado tres autocarros com rotas bem definidas no simulador, conseguiram um aumento de racio de entrega de pacotes de5.7%. Isto levou os autores a afirmarem que a existencia de uma rede em modo infra-estrutura utilizando autocarros publicosiria melhorar a performance de comunicacao entre quaisquer outros veıculos geograficamente distantes. Em [17] e propostoum protocolo de encaminhamento denominado Anchor-based Street and Traffic Aware Routing (A-STAR), baseado no prin-cipio descrito acima. Este protocolo e baseado em posicionamento e em ancoras ao longo do caminho definido onde ospacotes tem de passar. Estas ancoras podem ser calculadas estaticamente usando mapas da cidade e de transportes publicospara identificar rotas com maior conectividade. Podem tambem ser calculadas dinamicamente, baseando-se para isso nasinformacoes de trafego veicular, escolhendo rotas com maior densidade de veıculos onde a conectividade sera superior. Comesta solucao, quer usando calculo estatico ou dinamico, foram obtidos resultados bastante bons em termos de racio de entregade pacotes, chegando a perto de 90% quando a rede tem 500 nos, que e um valor bastante melhor quando comparado comoutras aproximacoes que nao tem em conta informacoes de trafego dentro da cidade, como por exemplo o Greedy PerimeterStateless Routing (GPSR) [12], onde para as mesmas condicoes consegue apenas um racio de 70%.

4.3.2 Encaminhamento Geocast

Existe um conceito de encaminhamento de informacao que ganhou bastante importancia com as VANET, o Geocast [18]. OGeocast e uma vertente do Multicast, onde os destinatarios sao nos geograficamente localizados numa determinada regiao,denominada zona de relevancia (em ingles Zone of Relevance, ZOR). O Geocast implica o uso de meios de localizacaodos nos como por exemplo o GPS. Este tipo de encaminhamento tras vantagens para aplicacoes que precisem de enviarinformacao que e apenas relevante numa determinada ZOR, como por exemplo um alerta de acidente ou trabalhos na estrada.Dos algoritmos de encaminhamento do tipo Geocast, os mais simples sao o Simple Flooding e o Location Based Multicast(LBM). O primeiro funciona enviando uma mensagem com uma localizacao especificada (a ZOR) a todos os nos adjacentes,inundando a rede. Os receptores da mensagem sao os responsaveis por verificar se pertence a ZOR especificada e decidirse o conteudo e do seu interesse ou nao. E um sistema extremamente simples e robusto mas que peca pela quantidade demensagens desnecessarias enviadas para a rede, tornando-o ineficiente. O LBM por outro lado inunda a rede apenas paranos localizados numa certa zona de encaminhamento de forma a que o pacote chegue ate a ZOR, tornando-o mais eficienteque o Simple Flooding. Um exemplo de alternativa as tecnicas de inundacao da rede ate chegar a ZOR e a aplicada peloprotocolo Unicast Routing with Area Delivery (URAD). Este protocolo usa um encaminhamento unicast baseado no GPSRpara encaminhar o pacote ate a ZOR. Cada no que receba o pacote verifica se se encontra ja na ZOR, fazendo broadcast se jaestiver nessa zona ou continuando o encaminhamento unicast ate o pacote alcancar um no nessa zona.

4.3.3 Encaminhamento Hierarquico

Em termos de encaminhamento, podemos definir tres tipos de algoritmos: algoritmos de encaminhamento planos (todosos nos tem o mesmo tipo de comportamento), algoritmos de encaminhamento assistidos por posicao geografica (o casodo geocast) e finalmente os algoritmos de encaminhamento hierarquicos (com nos que desempenham diferentes funcoes).Em [21] e proposto um protocolo para redes ad-hoc moveis (MANET) hierarquico, denominado Hierarchical State Routing(HSR). Os nos neste protocolo sao caracterizados com base na sua localizacao geografica e funcionalidade de forma a criarclusters fısicos (conjunto de nos que partilham uma regiao fısica) e particoes logicas na rede. Os nos sao divididos em 3 tipos

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logicos: nos cluster-head, nos gateway e nos internos. Cada cluster tem de ter pelo menos um no cluster-head que funcionacomo coordenador das transmissoes dentro do cluster. Cada no possui um identificador NodeID que sao os enderecos fısicosdos nos (enderecos MAC) e ainda uma identificacao da hierarquia onde se encontra, Hierachical ID (HID). Esta identificacaohierarquica de cada no e constituıda pelos NodeID dos nos hierarquicamente acima desse no (e pelo NodeID do proprio)concatenados. Desta forma e suficiente usar a identificacao hierarquica de forma a entregar um pacote a qualquer no da redeHSR. Usando este esquema hierarquico, supondo que cada cluster tem N nos e que o numero de nıveis hierarquicos saoM, num protocolo convencional, haveria O(NM ) entradas na sua tabela de encaminhamento. Neste protocolo o numero deentradas na tabela de encaminhamento e substancialmente mais reduzido, apenas O(N !M).

4.4 Minimizacao do numero de nos Gateway

Tendo em conta a comunicacao entre as estacoes moveis e o servidor central sem o recurso as redes moveis, e necessarioestabelecer pontos de acesso a Internet usando uma rede fixa. Foi estipulado que esses pontos de interface GW (gateways)entre as estacoes moveis e o servidor central seriam colocados em paragens dos autocarros da CARRIS. Com o objetivo deminimizar a existencia destes ponto ao longo da cidade, foi realizado um estudo por parte da aluna de doutoramento SabinaZejnilovic, pertencente ao projeto URBISNET. Analisando os percursos dos autocarros da CARRIS e as interseccoes nosseus percursos, concluiu que seriam necessarios apenas 6 nos GW localizados em paragens de autocarros bem definidas paraabranger 73% dos autocarros (53 veıculos) diretamente, isto e, a comunicacao entre a estacao movel e o gateway seria direto.Concluiu ainda que os restantes 28% dos autocarros (21 veıculos) intersectam pelo menos um dos autocarros que comunicadiretamente com os gateways durante os seus percursos. Isto faz com a informacao criada pelas estacoes moveis colocadasnestes autocarros tenha de ser enviada para um autocarro que cruze diretamente com os gateways colocados na cidade e sodepois seja enviada para um gateway.

4.5 Hardware da estacao movel

A escolha do hardware para a criacao de prototipos da estacao de monitorizacao ficou a cargo do aluno David Quelhas ee apresentada na sua tese de mestrado [6]. A estacao de monitorizacao inclui todos os componentes necessarios a aquisicao(com identificacao geografica e temporal), processamento, armazenamento e envio dos dados ambientais. Para a aquisicaodos dados e usado um conjunto de sensores de varios gases atmosfericos ( CO2, CO, O3, SO2 e NO2) e tambem sensoresde temperatura e humidade. Sendo o sinal de saıda dos sensores analogico e necessario usar um conversor analogico digital(ADC) para ser possıvel armazenar e enviar os valores para o servidor central. A unidade de processamento usada, o moduloGE863-PRO3 da TELIT 11, inclui um processador ARM9 com GSM/GPRS integrado. Este modulo esta acoplado na placada Round Solutions 12 AARlogic 10/3 que inclui suporte para cartoes SD/MMC, cartao SIM e um modulo GPS. Para ascomunicacoes ad-hoc sera usado um adaptador Ethernet em conjunto com uma ponte Ethernet-WiFi. Mais detalhes doscomponentes e da arquitetura da estacao movel serao apresentados na seccao 5.

5 Arquitetura da Solucao

Nesta seccao serao discutidos os temas relativos a solucao dos varios componentes do projeto URBISNET, nomeadamenteas estacoes moveis, o servidor central e os gateways a serem colocados nas paragens de autocarros. Sera ainda referido aarquitetura das comunicacoes entre estes elementos assim e os protocolos propostos para as mesmas.

5.1 Arquitetura Geral

De um ponto de vista mais generico, a infraestrutura do sistema e constituıda por tres componentes chave:

• Estacao movel (MS) - Uma estacao movel de pequenas dimensoes que permite a aquisicao de dados atmosfericos eambientais. Equipada com comunicacoes GPRS e 802.11 e recetor GPS;

• Servidor Central (CS) - Equipamento que armazena e disponibiliza os dados adquiridos pelas estacoes moveis. Comligacao a Internet permite que comunique com as estacoes moveis e com os gateways;

11Website da TELIT: http://www.telit.com12Website da Round Solutions: http://www.roundsolutions.com

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Figura 6. Diagrama do hardware da estacao de monitorizacao [6]

• Gateway (GW) - Este componente da rede fica localizado nas paragens de autocarros selecionadas, servindo de pontede comunicacao entre as estacoes moveis (utilizando 802.11) e o servidor central (atraves de ligacao com fios a Inter-net).

Na figura 7 e apresentada de forma simples como estao ligados os componentes na arquitetura do sistema. O detalhedas funcoes, componentes e modelos de funcionamento destes tres componentes serao devidamente descritos nas seccoesseguintes.

5.2 Estacao movel (MS)

5.2.1 Componentes

Como inicialmente referido na seccao 4.5, a estacao movel tem um conjunto de componentes relacionados com a aquisicaode dados atmosfericos, processamento, posicionamento e comunicacao.

A unidade de processamento e baseada no ATMEL ARM9 com 220 milhoes de instrucoes por segundo(MIPS), em con-junto com o modulo GSM/GPRS, inserido no modulo integrado GE863-PRO3 da TELIT. Suporta uma versao Linux paraprocessadores ARM o que faz deste modulo um sistema embebido bastante versatil e poderoso. O GE863-PRO3 esta inte-grado na placa AarLogic C10/3 da Round Solutions que adiciona um conjunto de interfaces, para cartoes SD/MMC, cartaoSIM, um recetor GPS SiRFstar III (bastante comum em solucoes de localizacao para dispositivos moveis) e conectores deantenas GPS e GSM/GPRS. Para tornar o desenvolvimento do sistema mais facil e usada uma placa de desenvolvimento da

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Figura 7. Diagrama simples da ligacao entre os componentes

Round Solutions, a STK-S4. Esta placa, onde e ligado o modulo GE863-PRO3, fornece interfaces RS-232 para comunicacaocom os diferentes componentes do modulo GE863-PRO3 assim como interface para alimentacao, USB e porta Ethernet.

Os sensores de gases assumem um papel fundamental na estacao no entanto necessitam de cumprir algumas restricoes,quer a nıvel de dimensoes para ser possıvel criar uma estacao de reduzidas dimensoes, quer a nıvel de custo caso seja desejadoa producao em massa desta estacao. Dos gases constituintes da atmosfera, aqueles escolhidos para monitorizar foram odioxido de carbono ( CO2), o monoxido de carbono ( CO), o ozono ( O3), o dioxido de enxofre ( SO2) e o dioxido de nitrogenio( NO2). Alem dos sensores de gases a estacao tera um sensor capaz de medir valores de humidade e temperatura ambiente.Os sensores estao ligados a um conversor analogico-digital, por sua vez ligado a interface Inter-Integrated Circuit (I2C) domodulo GE863-PRO3. Assim, carregando os modulos da interface I2C no sistema, sera possıvel fazer leituras aos valoresdos sensores.

Para a comunicacao ad-hoc 802.11 sera utilizada uma ponte Ethernet-WiFi de forma a ligar a porta Ethernet da placa dedesenvolvimento STK-S4 e possibilitar comunicar usando a tecnologia sem fios 802.11 no modo ad-hoc. Sera necessarioque este equipamento tenha pequenas dimensoes para ser integrado no interior da estacao (apenas com uma antena ligadano exterior) e de permitir flexibilidade de programacao do modulo. Para atingir essa flexibilidade sera necessario que oequipamento permita a instalacao de um firmware alternativo baseado em Linux, como e o caso do OpenWRT.

5.2.2 Funcionamento

A aquisicao e armazenamento de dados a partir dos sensores sera feita em intervalos de distancia percorrida (L) pela estacaomovel, de forma a evitar ter uma quantidade elevada relativamente redundante de amostras de uma certa localizacao em casosde imobilizacao da estacao movel. Para que possa ser feito este aquisicao baseada na distancia e necessario que o recetorde GPS esteja em constante funcionamento. Assim, a cada nova aquisicao de posicao, sera necessario fazer o calculo dadistancia entre o ultimo ponto de amostragem e a posicao atual.

Sejam as coordenadas do ultimo ponto de amostragem (lat1, lng1) e as coordenadas da posicao atual (lat2, lng2). Sejaainda !lat a diferenca entre os valores de latitude, que !lng seja a diferenca entre os valores de longitude e R seja o raio daTerra (R = 6371km). A distancia d entre os dois pontos e dada pela formula:

haversin( dR ) = haversin(!lat) + cos(lat1)! cos(lat2)! haversin(!lng)

A funcao de Haversine e dada por:

haversin(!) = sin2( !2 )

Finalmente pode obter-se o valor de d atraves da funcao inversa de Haversine ou a funcao arcsin:

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d = R! haversin!1(h) = 2R! arcsin("h)

Apos a aquisicao dos dados dos sensores de gases e de temperatura e humidade, os valores sao guardados num ficheiro dedados, em que cada entrada corresponde a uma linha no ficheiro e e constituıda pela seguinte informacao:

Marca temporal, identificacao da estacao origem, latitude, longitude, CO2, CO, O3,SO2, NO2, temperatura, humidade;

A marca temporal sera obtida atraves de GPS e sera dada com uma resolucao de segundos. Esta marca temporal relativa aaltura da aquisicao dos dados dos sensores sera util para poder moldar os dados recolhidos e criar mapas com uma evolucaotemporal ou simplesmente que se possa saber quais os valores verificados numa dada altura do dia. A identificacao da estacaodeve ser unica para cada estacao de forma a ser possıvel saber de que estacao foram originadas as amostras. Os valores delatitude e longitude sao as coordenadas de posicionamento referentes ao local de aquisicao dos valores dos sensores e saoobtidas a partir do GPS. Como descrito, o ficheiro de dados contera entradas de valores de cada monitorizacao, entradasessas que serao usadas no envio para o servidor central por um dos meios de comunicacao descritos nas seccoes 5.5 e 5.6,por GPRS ou ad-hoc 802.11 respetivamente. Os dados sao armazenados e nao sao enviados logo pois, caso o modo decomunicacao definido seja ad-hoc WiFi nao tera conectividade a todo o tempo pelo que seria impossıvel tentar enviar osdados a cada aquisicao para o servidor central. Mesmo em modo GPRS podera ser desejavel agrupar varias leituras em cadaenvio caso a operadora movel cobre cada comunicacao em blocos de dados fixos (por exemplo 1kB ou 10kB por bloco) eassim tentar agrupar dados de acordo com as dimensoes do bloco.

Sera tambem necessario a criacao de um ficheiro de configuracoes da estacao de forma a ser possıvel a estacao quandose liga, de forma autonoma, comece a funcionar com as configuracoes desejaveis. O ficheiro permitira tambem que sejapossıvel, durante o funcionamento da estacao e de forma remota, enviar novos parametros de configuracao de modo a alteraro seu modo de funcionamento e que o mantenha mesmo que seja desligada e volte a ser ligada. Estes parametros podempassar pela modificacao da distancia L de aquisicao de dados ou mesmo o modo de comunicacao da estacao (alterar deGPRS para ad-hoc 802.11). Havera ainda um ficheiro de registo de ocorrencias (ou logfile) onde as mensagens de erroou de acontecimentos relevantes deverao ser escritas, em conjunto com uma marca temporal, de forma a ter um registo defuncionamento da estacao e seja possıvel identificar problemas. Na figura 8 e apresentado o fluxograma do funcionamentogeral da estacao movel. As comunicacoes ad-hoc nao estao representadas uma vez que funcionarao de forma paralela aofuncionamento geral da estacao e devido as diferencas existentes no seu procedimento dependendo do tipo de no (explicadona seccao 5.6).

5.2.3 Desenvolvimento

O fabricante do modulo GE863-PRO3 disponibiliza um ambiente de desenvolvimento integrado baseado em Eclipse com asbibliotecas (nomeadamente de GSM/GPRS e acGPS) e plugins necessarios para desenvolver programas, compilar e enviar ocodigo para o modulo. As linguagens de programacao suportadas sao C e C++. O facto do modulo GE863-PRO3 correr umadistribuicao de Linux ajuda na automacao dos processos dado que e relativamente facil criar scripts para carregar os modulosnecessarios (I2C e Ethernet por exemplo).

5.3 Servidor Central (CS)

5.3.1 Funcionamento

O Servidor Central e um computador Desktop convencional que servira de armazenamento dos dados adquiridos das estacoesmoveis e tambem disponibilizara essa informacao. Para tal necessitara de duas plataformas essenciais, uma base de dadosrelacional e um servidor web. A base de dados armazenara os dados enviados pelas estacoes moveis, tal como identificados naseccao 5.2.2. O servidor web tera uma dupla funcao. A primeira e a de disponibilizar uma interface web com informacao dasamostras recolhidas pelas estacoes e tambem uma interface de monitorizacao e configuracao das estacoes moveis. A segundafuncao e de receber a informacao recolhida pelas estacoes moveis uma vez que sera usado o protocolo HTTP para enviar osdados via Internet, quer enviados diretamente pelas estacoes moveis por GPRS quer pelos gateways quando receberem essainformacao das estacoes moveis via ad-hoc 802.11. A informacao recebida sera devidamente processada e armazenada nabase de dados. Alem de receber a informacao enviada pelas estacoes moveis com os valores dos sensores, o servidor central

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Figura 8. Fluxograma de funcionamento da estacao movel. Inclui comunicacao GPRS

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tera de ser informado do endereco IP das estacoes moveis de forma a poder entrar em contacto com estas para propositos demonitorizacao e de reconfiguracao do seu estado. Este processo sera descrito de forma mais detalhada na seccao 5.5.


O desenvolvimento do servidor central tera por base software de codigo aberto, desde o sistema operativo, base de dadosrelacional e servidor web. O sistema operativo sera a distribuicao Linux Ubuntu, a base de dados relacional sera MySQL eo servidor web sera Apache. Alem de ser software codigo aberto, todas estas plataformas sao escolhidas pois sao das maisusadas e documentadas na sua area. Para o desenvolvimento da interface web serao usadas tecnologias como PHP, Javascript,HTML e com uso ainda da API de mapas do Google para gerar os mapas.

5.4 Gateway (GW)

5.4.1 Funcionamento

Os gateways servirao como ponto de recolha das amostras adquiridas pelas estacoes moveis (quando estiverem a usar o modoad-hoc 802.11 para comunicarem) e terao de encaminhar essa informacao para o servidor central. Para tal e necessario umainterface sem fios que suporte o modo ad-hoc 802.11 e tambem uma interface Ethernet para ligar o gateway a Internet, deforma a comunicar com o servidor central. A comunicacao das estacoes moveis com o gateway sera descrito na seccao 5.6. Acomunicacao entre o gateway e o servidor central decorrera de forma semelhante a comunicacao entre as estacoes moveis e oservidor central, sera feita usando o protocolo HTTP para enviar os dados via Internet. Tendo em conta que a ligacao a Internetdos gateways nao tera limitacoes tao restritivas quanto as das estacoes moveis, assim que chegue informacao aos gatewaysvinda das estacoes moveis, sera imediatamente encaminhada para o servidor central. Tal como no caso das estacoes moveis,sera necessario obter informacao dos gateways para questoes de monitorizacao de rede. A estrategia de monitorizacao, casoo endereco IP dos gateways seja publico, pode passar pelo pedido dessa informacao por parte do servidor central. Casocontrario, e os gateways estejam por de tras de um mecanismo de NAT com IPs privados, sera desejavel que os propriosgateways comuniquem informacoes sobre o seu estado de forma periodica.


Os gateways serao computadores Desktop de reduzidas dimensoes com interfaces de rede sem fios 802.11 e com fios Ethernet.O seu sistema operativo sera a distribuicao Linux Ubuntu. O desenvolvimento das ferramentas tera por base a linguagem C.

5.5 Comunicacao GPRS

A topologia logica desta rede e em estrela, uma vez que cada estacao movel pode comunicar diretamente com o servidorcentral e vice versa. A comunicacao via GPRS tem como intuito suportar duas funcoes, a primeira e a comunicacao dosdados adquiridos pelas estacoes moveis ao servidor central e a segunda e fornecer um canal de comunicacao entre o servidorcentral e as estacoes moveis de forma a adquirir informacoes de monitorizacao sobre a rede e as estacoes e envio de novoparametros de configuracao.

5.5.1 Estacao Movel - Servidor Central

A comunicacao neste sentido assume o conhecimento previo do endereco IP, ou Uniform Resource Locator (URL) capazde ser traduzido pelos servidores Domain Name System (DNS) de forma a enderecar diretamente o servidor central. Esteparametro devera constar das definicoes iniciais da estacao movel e podera ser passıvel de alteracao de forma remota. Comeste identificador sera possıvel criar um canal de comunicacao para o servidor central sempre que for necessario enviar osdados de monitorizacao. Como referido anteriormente, sera feito para o servidor web pelo protocolo HTTP sempre que sechegue a um valor acumulado de dados de monitorizacao que, em conjunto com os cabecalhos necessarios para este tipode comunicacao, perfaca um valor perto (sempre de valor menor ou igual) a dimensao do tamanho mınimo de taxacao depacotes oferecido pelo operador de telecomunicacoes para comunicacoes GPRS. Assim sera criado um canal de comunicacaopara o servidor central que implica o estabelecimento da ligacao GPRS e a criacao do canal propriamente dito para envioda informacao. Dado que esta comunicacao sera feita periodicamente, e de maneira a evitar ter de estabelecer uma ligacaoGPRS de cada vez, sera fechado o canal de comunicacao mas mantendo a ligacao GPRS ativa. Sera tambem necessario

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comunicar ao servidor central o endereco IP e porto em que a estacao movel estara a escuta de mensagens de monitorizacaoou configuracao uma vez que a cada estabelecimento de ligacao GPRS e atribuıdo um endereco IP, por parte da operadoramovel, diferente. Opta-se por comunicar o endereco IP sempre que seja atribuıdo um novo a estacao movel e nao enviaresse endereco em conjunto com o conjunto de dados de aquisicao da estacao por GPRS ou ad-hoc 802.11 uma vez que seespera que apos o estabelecimento da ligacao GPRS inicial, ocorram muito menos desconexoes e subsequente alteracao deIP da estacao movel do que comunicacoes para envio de dados. Assim poupa-se o envio de informacao redundante em variastransmissoes de dados para o servidor central e tambem que, caso seja alterado o endereco IP da estacao movel, seja reportadoao servidor central.

5.5.2 Servidor Central - Estacao Movel

Como referido anteriormente, a comunicacao neste sentido sera sempre feita com recurso a ligacao GPRS da estacao movel,mesmo que a estacao esteja a reportar os valores em modo ad-hoc 802.11 via gateways. Desta forma (via GPRS) assegura-se uma comunicacao muito mais rapida em comparacao com o uso da rede ad-hoc 802.11, uma vez que seria necessariofazer um encaminhamento entre o gateway e uma determinada estacao movel que, mesmo comunicando diretamente como gateway, o faz com uma periodicidade temporal na ordem das dezenas de minutos (por exemplo) devido ao percursorealizado pelo autocarro a que esta associado. Sabendo o IP de cada estacao movel, adquirido como descrito na seccaoanterior, o servidor central consegue comunicar diretamente com elas via Internet, chegando as estacoes moveis pela ligacaoGPRS. A comunicacao neste sentido tem duas funcoes: monitorizacao do estado da rede/estacoes e reconfiguracao dasestacoes moveis. Sera portanto necessario identificar claramente nas mensagens enviadas para as estacoes moveis o tipo depedido, se de monitorizacao ou reconfiguracao. Nos pedidos de monitorizacao havera pedidos simples onde serao enviadosvarios parametros da estacao e de rede como resposta por parte da estacao movel e pedidos de monitorizacao do ficheirode log da estacao, enviando um certo numero de entradas (especificado no pedido) desse mesmo ficheiro. A estacao deveraindicar os seguintes parametros quando recebe um pedido de monitorizacao simples:

• Quantidade de dados GPRS transferidos (em kB);

• Quantidade de dados armazenados por enviar (em kB);

• Modo de comunicacao em funcionamento (GPRS ou ad-hoc 802.11);

• Ultima comunicacao ad-hoc efetuada (especificando no de destino e data);

• Valor do parametro de distancia entre amostras (em metros);

• Tipo de no (caracterizacao hierarquica do no em modo ad-hoc);

• Endereco do servidor central (CS).

Apos o pedido de informacao por parte do servidor central, a estacao movel deve responder pelo mesmo canal decomunicacao. No caso de ser um pedido de reconfiguracao por parte do servidor central, a estacao deve comunicar devolta o sucesso (ou insucesso) da operacao.

5.6 Comunicacao 802.11

A comunicacao em modo ad-hoc via 802.11 servira para estabelecer conectividade entre as estacoes moveis e os gate-ways de forma a poderem enviar a informacao recolhida ate ao servidor central, evitando a comunicacao GPRS para esseefeito. Ao contrario da comunicacao via GPRS onde os dados sao agrupados ate atingir um certo valor para serem enviadospara o servidor central, neste modo as estacoes moveis transmitem os dados sempre que tenham conectividade para um nohierarquicamente superior na rede. Esta comunicacao funcionara de forma paralela com o funcionamento normal da estacaoapresentado na figura 8. Devido a haver estacoes moveis que durante o seu percurso (percurso do autocarro a que estaoassociadas) que nao passam perto de nos gateway de forma a enviarem os seus dados, havera necessidade que estas estacoesenviem esses dados a outras estacoes. Estas estacoes farao chegar aos nos gateway nao so os seus dados como tambem osdados das outras estacoes que recebeu durante o seu percurso. Com base nesta caraterizacao, pode identificar-se tres tipos denos nesta rede:

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• No Gateway - No de posicionamento bem definido (estatico) para o qual os nos de 1a ordem enviam dados;

• No Estacao Movel de 1a Ordem - No de caracter dinamico na rede que tem conectividade direta com pelo menos umno gateway no seu percurso. Podera ter conectividade (ou nao) com outros nos, nomeadamente de 2a ordem.

• No Estacao Movel de 2a Ordem - No de caracter dinamico na rede mas, ao contrario do no de 1a ordem, nao temconectividade com nos gateway.

Tendo em conta a rede a implementar, podemos considerar que a sua topologia fısica sera em malha com conectividadeparcial, uma vez que havera conectividade parcial e temporaria entre os nos. Do ponto de vista logico e da forma como ainformacao sera encaminhada na rede, podemos considerar que tera uma topologia em arvore com tres nıveis. A topologiaem arvore e uma topologia hierarquica e que se adapta a esta rede na medida em que temos tres tipos de nos com carac-terısticas diferentes. O no gateway e considerado o no raiz na topologia em arvore pois e para onde confluira os dados dasestacoes moveis. Os nos estacao movel de 1a ordem sao os elementos do nıvel intermedio da hierarquia visto que comunicamdiretamente os dados ao no gateway e podem receber dados vindos de nos de 2a ordem. Por ultimo, os nos de 2a ordem estaona extremidade da hierarquia, fazendo com que os seus dados passem por por um no de 1a ordem ate chegar ao gateway. Estetipo de hierarquia e justificado tambem pelo tipo de encaminhamento que sera feito, de caracter bem definido em que o nodestino da comunicacao sera sempre um no gateway, nunca particularizando qual o no gateway.

Figura 9. Topologia logica em arvore.

Sendo uma topologia e encaminhamento hierarquico e necessario que cada no pertencente a esta rede saiba qual e a suaposicao na hierarquia e a sua funcao. Assim, cada no possuira um parametro que o identifica numa das tres posicoes dahierarquia. Esse parametro devera fazer parte da configuracao inicial do no e podera ser passıvel de ser alterado, no caso deser uma estacao movel. Dado que os percursos de autocarro sao percursos bem definidos este parametro nao devera necessitarde ser alterado regularmente, apenas quando (por exemplo) uma estacao movel deixa de estar associada a um certo autocarroe passa a estar associada a outro autocarro com um percurso diferente.

Este tipo de identificacao sera util tambem no protocolo de comunicacao (descrito na seccao seguinte) para que as estacoesmoveis percebam que tipo de no esta no seu alcance para determinar o seu procedimento. A identificacao unica dos nos seratambem meramente indicativa uma vez que o que realmente interessa neste encaminhamento e o tipo de no (identificacao nahierarquia).

5.6.1 Protocolo ad-hoc

Nesta seccao e explicado o protocolo de comunicacao ad-hoc entre os nos desta rede. Existem algumas diferencas nosprocedimentos dentro do protocolo devido a caracterıstica hierarquica da rede e definira o modo como cada tipo de no secomporta. A primeira parte do protocolo assume que todos os nos sabem a sua identificacao de rede e identificacao do tipode no (parametros pre-configurados). Assim, para cada no que se junte a uma IBSS ou que em conjunto com outro no formeuma IBSS, devera enviar uma mensagem para os nos constituintes da IBSS (broadcast) com a sua identificacao e tipo de no.No entanto os nos de 2a Ordem nao necessitam de se identificar pois, segundo a hierarquia, nunca receberao dados de outrosnos, apenas tem interesse em enviar. Assim evita-se o envio de mensagens desnecessarias. A segunda parte do protocolo

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compreende a resposta as mensagens iniciais de identificacao por parte daqueles nos que precisam de enviar informacao, istoe, caso uma estacao de 2a ordem receba uma mensagem de uma estacao de 1a ordem devera responder com os dados quenecessita de enviar. Por outro lado, se um no de 1a ordem recebe uma mensagem de outro no de 1a ordem devera ignorar,uma vez que o seu objetivo e enviar a informacao diretamente para um no gateway. Apos a recepcao dos dados, o no receptordeve confirmar isso mesmo ao emissor com uma mensagem, para que este possa perceber se os dados foram recebidos pelono receptor.

Figura 10. Exemplo de comunicacao ad-hoc entre uma estacao movel de 1a ordem e de 2a ordem.

Neste protocolo nao sera necessario criar tabelas de encaminhamento como em outros protocolos para redes ad-hoc vistotodos os nos da rede saberem para quem tem de encaminhar os pacotes. Sera no entanto util guardar informacao relativaa conectividade que um certo no tem com outros nos durante o seu percurso (apenas para os nos estacao movel de 1a e 2a

ordem) de forma a saber quando foi a ultima vez que transferiu os seus dados para um no hierarquicamente acima de si.Servira para monitorizar o tipo de conectividade da rede e perceber se algum no, por alteracao do seu percurso, deixou deestar posicionado corretamente na hierarquia.

6 Metodologia de Avaliacao

A avaliacao do trabalho a desenvolver sera dividida em dois tipos: avaliacao das funcionalidades e avaliacao de desem-penho. A avaliacao de funcionalidades tera que validar os objetivos propostos na seccao 2, nomeadamente as comunicacoesGPRS e ad-hoc para envio dos dados das estacoes moveis para o servidor central, o armazenamento e disponibilizacao dosdados recolhidos das estacoes moveis e finalmente a monitorizacao e gestao das estacoes moveis. Do ponto de vista dedesempenho, sera avaliado o desempenho e eficiencia em ambiente experimental das comunicacoes ad-hoc via 802.11.

7 Conclusoes

Neste relatorio foi apresentado o modelo de comunicacoes proposto para o projeto URBISNET. Sao propostos dois tiposde comunicacoes: utilizando as redes moveis com uma infra-estrutura criada pelos operadores de telecomunicacoes, usandoa tecnologia GPRS e tambem comunicacoes em modo ad-hoc utilizando uma tecnologia 802.11. Opta-se pelo uso de duastecnologias com diferentes caracterısticas e nao so apenas uma delas (por exemplo o modo ad-hoc 802.11 e evitando oscustos de comunicacao GPRS) devido a nao haver uma conectividade constante entre os nos produtores de dados (estacoesmoveis) e o no gateway, levando a que exista uma diferenca de tempo relativamente elevado entre a producao dos dados comos valores das amostras e a chegada desses mesmos dados a estacao central. Tambem nao se descarta o uso da comunicacaoGPRS devido a necessitar de ter comunicacao direta (sem elevados atrasos) entre o servidor central e as estacoes moveis para

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fins de monitorizacao e configuracao das mesmas. Foi tambem apresentado o modo de funcionamento da estacao movel noque respeita a periodicidade de recolha de amostras, o modelo de comunicacoes GPRS usado pela estacao e ainda o protocoload-hoc a ser implementado entre as estacoes moveis e gateways. A comunicacao ad-hoc entre as estacoes e gateways rege-sepor uma topologia logica hierarquica uma vez que os dados recolhidos tem de convergir para um tipo de nos especıficos, osnos gateway.

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