Dentre as principais características que devemos levar em consideração para determi- nar a arquitetura da rede, uma das mais importantes é um protocolo de comunicação que
2.4. REQUISITOS E PROTOCOLOS PARA A REDE DE DISPOSITIVOS MÓVEIS.13
Figura 2.3: Imagens processadas pelo Sistema de Visão. A) Imagem com duas embarca- ções. B) Imagem com uma embarcação. C) Microimagens correspondentes.
Adaptado de (Silva et al. 2015).
considere os requisitos do projeto dentro do cenário em que será utilizado. Por exem- plo, um aspecto importante é a distância entre os nós, pois, em uma configuração na qual esquadrilha tenha a formação com subdivisão da área a ser varrida ou uma formação con- junta com os nós próximos, a distância entre os nós pode variar de algumas centenas de metros até alguns quilômetros. A rede deve ter a capacidade de enviar mensagens de con- trole a cada 3 segundos, informando a localização e a possível existência de embarcação. Quando encontrar uma embarcação, além da mensagem de controle, poderá enviar uma mensagem de dados contendo uma imagem de até 100 Kbytes, ou micro imagens com tamanho reduzido. Para os requisitos, ainda devem ser levadas em consideração algumas características, como a capacidade de reorganizar a rede em caso de falha de um nó, com processamento e recurso energéticos limitados. As aeronaves estarão sobre o mar, por- tanto há necessidade de uma rede Ad hoc, sem pontos de acesso (torres de comunicação) entre os nós da rede. Assim, essa tecnologia deve ter a capacidade de trocar informações entre si, formando uma rede de sensores em malha.
Existem diversas soluções para comunicação de redes móveis que podem ser analisa- das para utilização em redes Ad hoc, as quais enquadram-se para rede de curto alcance: Bluetooth5, 6LoWPAN, ZigBee, Wi-Fi, Z-Wave, Thread, ANT e tecnologias para longo alcance como LoRa / LoRaWAN, NWave, OnRamp, Platanus, SIGFOX, Telensa (for- merly Senaptic), Weightless, Amber Wireless, Wi-MAX, ZigBee+DigiMesh, ComSAT entre outras (Walko et al. 2017).
Atualmente, diversos centros de pesquisa estão investindo em soluções com uso des- sas tecnologias. Motlagh et al. (2016) apresentam um resumo com a classificação dos VANTs, associando ao conceito de Sistemas aéreos não tripulados (UAS - Unmanned Ae- rial System) como mostra a Figura 2.4(a). Esses sistemas podem utilizar comunicação baseada em satélite (Satellite-based Comunication), Comunicação com apoio de disposi- tivos terrestres (Ground-based Communication), como torres e antenas na área varrida, e
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por último, a comunicação somente entre os dispositivos áereos (Air-air Communication). Problemas desafiadores tanto em questões de hardware, arquitetura de rede, proble- mas de regulamentação e padronização ainda não estão muito bem definidos. Motlagh et al. (2016) apresentam a comparação entre as topologias de rede ponto a ponto / malha e possíveis arquiteturas de UAS, discutindo os desafios associados e os requisitos do sis- tema comparando algumas das tecnologias citadas anteriormente para transporte de dados como celular (Ex. 3G, 4GLte), Banda Larga (Wimax e Wifi), Comunicação com Satélite (ComSAT) e ainda com tecnologias de outras categorias, no caso, comunicação de curto alcance (ZigBee e Bluetooth). Ao comparar diversos trabalhos, existe o destaque em re- lação aos dispositivos Zigbee+DigiMesh, para casos onde é necessário pouco consumo de energia, segurança de dados, aliado à possibilidade de comunicação de longo alcance através uma rede em malha e transferência de dados de até 250 kb/s. A Figura 2.4(b) apresenta tecnologias de comunicação que podem ser utilizadas em FANETs.
Figura 2.4: Modelo de Sistemas aéreos não tripulados (UAS) e Tecnologias de Comuni- cação para FANET. Figura 2.4(a) e (b). Adaptado de: (Motlagh et al. 2016).
Comparando as diversas tecnologias e os protocolos de redes, os que podem melhor se adaptar ao projeto são as WIFI(11af/ah), ZigBee com DigiMesh, ou LoRa / LoRaWAN. Mas, segundo Motlagh et al. (2016), as redes WIFI possuem taxas de transmissão de dados superior às outras duas, chegando a mais de 54 Mbps (Megabits por segundos), mas o alcance padrão é de apenas 100 metros, embora utilizado antenas direcionais pode- se ampliar o alcance do sinal para até 25 km. Contudo, com a movimentação dos nós, com alteração contante de posição a comunicação tende a ficar instável. Essa tecnologia é recomendada, para um cenário em que a rede de VANTs seja utilizada para infraestrutura
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de acesso à Internet, ou monitoramento de uma área de desastre com transmissão de vídeo em tempo real, mas sem a necessidade de movimentação dos nós.
Em paralelo, existe a linha de módulos Digi XBee-PRO R 900HP S3B,(XBee PRO
2017), sendo desenvolvida para uso de longo alcance com conectividade entre os disposi- tivos na frequência de 900MHz, utilizando o protocolo de comunicação ZigBee adaptado à tecnologia DigiMesh. Esse modelo possui capacidade de transmissão de dados até 200 Kbps e alcance de até 14 km para transmissão entre dois nós. Segundo Zafar e Khan (2017) dispositivos com protocolos de comunicação que utilizam na camada física o pa- drão IEEE 802.15.4 (Padrão para controle da Camada de acesso físico), têm ótima adap- tação para FANETs que necessitam de comunicação em malha, de VANT para VANT, com velocidades de até o limite de 460 km/h e movimentação podendo ser constante ou variável. Ao final, Zafar e Khan (2017) apresentaram como resultado, que a tecnologia ZigBee pode ser uma candidata potencial com taxas de entrega de pacotes entre 80-98% e atrasos de rede comparáveis com o padrão IEEE 802.11, sendo que esse ultimo en- volve complexidade, pois não é adaptado para situações em que os nós estão distantes e movimentam-se, embora permite uso de banda larga. Assim, o padrão IEEE 802.15.4 pode ser uma escolha adequada para aplicações que não necessitam de largura de banda exaustiva, exigindo menor taxa de dados para comunicação.
Motlagh et al. (2016) destacam que o protocolo de comunicação ZigBee sobre o pa- drão IEEE 802.15.4, suporta protocolos de comunicação de alto nível com baixo consumo de energia e baixo custo. A tecnologia é tipicamente usada em aplicações de menor taxa de dados e que requerem grande vida útil para bateria e comunicação segura. A rede em malha permite alta confiabilidade e longo alcance. Segundo Motlagh et al. (2016) ZigBee é a melhor opção para transmissões de dados intermitentes a partir de sensores. Nesse trabalho, Motlagh et al. (2016) apresentaram resultados de testes, utilizando dispositivos ZigBee, embarcados em VANTs quadrirrotores no desenvolvimento de um sistema de uso geral para localização interna (indoor) em um ambiente conhecido, combinando o Zigbee e um sistema de navegação inercial, contendo medidor de velocidade e acelerômetro que são usados para aumentar a precisão. Os resultados elucidam que o sistema de localização é viável, eficaz, flexível e facilmente adaptável a várias situações.
Dentro do projeto SPACEVANT do qual este trabalho faz parte, mensagens de con- trole são enviadas a cada 3 segundos. Por sua vez, uma mensagem de dados com uma imagem possui tamanho médio de 100 KBytes é enviada caso algum nó da esquadrilha encontre uma embarcação enquanto faz a sua varredura. Por causa dessas características, será adotada a tecnologia de comunicação com dispositivos Zigbee. Nesse contexto, foi feito um estudo mais aprofundado e um cenário para testes foi estabelecido para validar a tecnologia e analisar a viabilidade de sua utilização.
Segundo Associação Brasileira de Internet das Coisas (Abinc) a regulamentação para LoRa / LoRaWAN no Brasil foi aprovada no dia 21 de junho de 2017. A aprovação permite que equipamentos com esse protocolo sejam certificados e operem em potên- cias compatíveis com o que já se pratica no exterior, colocando o Brasil em condições de igualdade com os outros países. Devido à recente data de aprovação o presente tra- balho não fez nenhum análise desse protocolo, mas seria interessante realizar um estudo comparativo entre o LoRaWAN e o ZigBee. Trasviña-Moreno et al. (2017) publicaram
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estudos de VANTs, utilizando sensores sem fio, no monitoramento da costa marinha uti- lizando o protocolo LoRa, alcançando uma taxa de transmissão máxima de 4399,97 bps e um alcance entre os nós de 485 metros. Nesse trabalho o sistema de coleta de dados fica no oceano, instalado em boias fixas, enquanto os VANTs sobrevoam a área coletando os dados e, após a coleta, voltam para a estação base de controle, para que os dados sejam analisados.