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A Comprehensive Survey in Towards to Future FANETs

E. P. F. da Cruz 1Abstract: The growing use of UAVs in the last years, has

shown that is possible to use them like communication data network in several areas. Such network formed by UAVs is known in the literature as Flying Ad Hoc Networks (FANET). This kind of network has attracted, recently, attention of the research community, showing a promising future. This paper consists of a survey presenting to the reader concepts, architecture, applications, routing, simulators and possible integration among FANET and other technologies as well as challenges to be faced in the FANETs. Keywords— Fanet, Flying Ad Hoc Networks, Survey

I. INTRODUÇÃO

IVERSOS avanços eletrônicos, tais como a criação de sensores, novas formas de comunicação, miniaturização

de equipamentos com consideráveis poderes computacionais, entre outras características, nos permite vislumbrar novos horizontes quando o assunto são as redes sem fio. Graças a esses avanços, recentemente temos visto o crescente aumento no uso dos Veículos Aéreos Não Tripulados (VANTs) ou UAVs (Unmanned Air Vehicle) [1]. Devido ao fato de ser um termo globalmente utilizado, no decorrer deste trabalho será adotado o termo UAV. Os UAVs, que também são conhecidos como drones [2], são veículos aéreos que possuem sistema embarcado e que podem voar de forma autônoma e serem controlados remotamente por um humano (piloto). Devido ao fato de serem versáteis, de fácil instalação, operação relativamente simples e ao seu custo cada vez mais reduzido, o uso dos UAVs têm se mostrado promissor em diversas áreas como agricultura de precisão [3], monitoramento de desastres [4], vigilância de fronteiras [5], monitoramento de tráfego e ambientes [6], retransmissores de dados para outros tipos de redes sem fio [7][8], entrega de produtos em residências [9] e para operações de busca e resgate [10]. Portanto, são vislumbradas aplicações no uso dos UAVs na área de entretenimento, comercial e até mesmo militar.

Os UAVs podem ter diferentes configurações de peso, tamanhos físicos, presença ou não de hélices e suas quantidades, além da possibilidade de levar algum objeto acoplado, seja uma carga útil ou outro equipamento auxiliar, entre outras. Na Fig. 1 são mostrados dois tipos de UAVs.

Figura 1. Tipos de UAVs.

Ederval Pablo Ferreira da Cruz, Instituto Federal do Espírito Santo –

Campus Itapina, Colatina, ES, Brasil, [email protected]

O uso de UAVs não é um assunto recente [11]. Vários trabalhos abordam somente o uso de um único UAV (Single-UAV) para realização de tarefas específicas [12][13][14]. Porém, graças às características desses equipamentos, o custo de produção de UAVs de pequeno porte tem caído e aos poucos sua popularização está aumentando. Portanto, usar vários UAVs de pequeno porte pode ser mais vantajoso do que usar um único UAV de maior porte. O fato de se utilizar mais de um UAV (Multi-UAV), com capacidade de comunicação de dados sem fio, permitindo a troca de dados entre eles, nos permite criar um tipo especial de rede conhecido na literatura como FANET (Flying Ad-Hoc Network) ou Redes Ad Hoc Voadoras dentro de uma mesma área.

As FANETs, assim como as Redes Ad Hoc Veiculares (VANETs) é uma subcategoria da Rede Móvel Ad Hoc (MANET). A MANET é um tipo de rede móvel na qual, basicamente, os nós podem se movimentar e que não dependem de nenhuma infraestrutura para entrar em operação. Durante o decorrer do artigo, serão destacadas as características desses três de tipos de redes, dando ao leitor uma melhor visão das diferenças entre elas.

Como já mencionado, o uso de sistemas Multi-UAV implica em diversas vantagens, pois é possível trabalhar com nós de forma coordenada e cooperativa destacando-se as seguintes características: Tempo de vida da rede: Nos sistemas Single-UAV, o fato de ter somente um único UAV operando, não configura de fato uma rede FANET criada. Portanto, caso haja alguma falha no UAV durante uma missão, esta não será concluída com sucesso. Utilizando-se de sistemas Multi-UAV, caso haja falha em algum dos UAVs durante a missão, outros UAVs podem ser designados para realizar a missão definida pelo usuário. Velocidade na realização da missão: Em algumas situações, a missão dada pelo usuário ao UAV tem requisitos críticos de tempo. Considerando que o fornecimento de energia aos UAVs tem como origem as baterias instaladas neles, dependendo da missão designada ao UAV, um único vôo pode não ser o suficiente para sua realização. Em sistemas Multi-UAV, o fato de se estar utilizando vários UAVs simultaneamente em uma missão, faz com que o tempo para a sua realização seja reduzido [15]. Escalabilidade: Ao usar sistemas Single-UAV, a área coberta pelo UAV é limitada. Com os sistemas Multi-UAV, é possível cobrir áreas maiores facilmente. Minimização de custos de operação e manutenção: O uso de vários UAVs de pequeno porte implica em custos de manutenção e operação baixos, quando comparados com um UAV de maior porte. Apesar do termo FANET estar relativamente consolidado, existem na literatura outros trabalhos que utilizam diferentes termos que nos remetem ao conceito de FANET. Um desses termos é conhecido como Aerial Wireless Sensor Networks –

D

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AWSN (Redes de Sensores Sem Fio Aéreas) [16][17][18]. As AWSNs consistem basicamente de um sistema Multi-UAV, onde os UAVs são capazes de sobrevoar uma área de interesse para sensoriamento e coleta de dados, retransmitindo tais dados para uma estação base para posterior análise. Diferentemente das tradicionais Redes de Sensores Sem Fio (RSSF), onde o consumo de energia dos nós é um fator crítico, os UAVs não sofrem de tal característica, tendo em vista que, de forma geral, o seu porte permite a carga de baterias que forneçam boa autonomia. No decorrer deste trabalho usaremos o termo FANET, por ser globalmente utilizado na literatura. Este artigo tem como principal contribuição, dar ao leitor algumas visões atualizadas além daquelas já abordadas no trabalho de [1]. O restante deste artigo está organizado conforme segue: Na Seção II serão abordadas características e arquiteturas das FANETs que as diferenciam de outros tipos de MANET. Na Seção III são apresentados ao leitor algumas das possíveis aplicações das FANETs no mundo real. Na Seção IV é discutido sobre o roteamento nas FANETs, assim como na Seção V o uso de simuladores é apresentado. Finalizando o artigo, na Seção VI o artigo é concluído dando alguns “insights” aos leitores.

II. ARQUITETURAS E CARACTERÍSTICAS DAS FANETS

Alguns autores consideram que existe uma FANET quando os nós UAVs se comunicam entre si (modo ad hoc), e pelo menos um deles se comunica com uma infraestrutura (estação base ou satélite) [19][20][21]. De forma geral, conforme mostrado na Fig. 2, em relação à comunicação, os UAVs podem se comunicar das seguintes formas: Link direto – O UAV, via um link dedicado, comunica-se com uma estação de controle, como uma central de controle terreste, em inglês, Ground Control Station (GCS), permitindo uma entrega confiável e com baixa latência. Possui desvantagem em cenários dinâmicos, devido ao fato da presença de elementos no ambiente, tais como árvores, modificações no terreno, entre outros que podem levar ao bloqueio ou interferência do sinal de comunicação entre o UAV e o piloto. Portanto, considerando as premissas necessárias para uma rede ser considerada do tipo FANET, essa não é uma forma de comunicação de uma FANET - (Fig. 2a); Satélite – Possui alcance de propagação de sinal superior ao link direto. Porém, o fato do roteamento dos dados se dar por meio de um sistema centralizado, que é o satélite, infelizmente a largura de banda oferecida pelos satélites não cresce no mesmo ritmo do crescimento no uso dos UAVs. Em situações onde existem muitos UAVs se comunicando com o satélite, problemas como latência fazem com que aplicações sensíveis ao atraso, como transmissão de vídeo, tenham suas performances prejudicadas (Fig. 2b). Rede celular de dados (3G/4G) – O uso dessa forma de comunicação proporciona vantagens como entrega confiável de dados, além de níveis de qualidade satisfatórios, devido ao fato de existirem várias estações base espalhadas pela área,

aumentando assim a cobertura do sinal e também ter redundância de links, caso haja falha em alguma estação base. Além disso, a largura de banda pode ser melhor distribuída e ajustada de acordo com a demanda, sem sobrecarregar a infraestrutura. Porém, essa infraestrutura com antenas, torres, entre outros equipamentos, tem um preço alto, configurando o custo como uma desvantagem (Fig. 2c). Redes mesh ou redes em malha (802.11, 802.16, 802.15.4) – Arquitetura descentralizada onde a transmissão das informações obtidas pelos UAVs ocorre no modo de múltiplos saltos (ad hoc). Logo, os UAVs podem atuar como retransmissores dessas informações até uma estação base distante, em tempo real para posterior análise do usuário interessado, trabalhando de modo cooperativo. Sendo uma arquitetura com baixo custo, flexível e dinâmica, a arquitetura em malha se mostra como uma potencial arquitetura para as FANETs no futuro (Fig. 2d).

Figura 2. Arquiteturas das FANETs [22]

Na Tabela I, são mostradas algumas características importantes a serem consideradas para a implantação de uma FANET em relação às tecnologias de comunicação citadas anteriormente.

TABELA I RELAÇÃO DAS CARACTERÍSTICAS E FORMAS DE COMUNICAÇÃO

Link Direto Satélite

Rede Celular (3G/4G)

Mesh (802.11, 802.16,

802.15.4) Largura de

Banda Alta Baixa Alta Média

Custo Baixo Médio Alto Baixo Modo ad hoc Não Não Não Sim

Latência Baixa Alta Baixa Baixa Redundância Não Não Sim Sim Por compartilhar de algumas características semelhantes, as FANETs são mais um membro da família das MANETs, assim sendo possível classificar as FANETs também como uma subcategoria das VANETs, que também é uma subcategoria das MANETs, conforme ilustrada na Fig. 3.

CRUZ : A COMPREHENSIVE SURVEY IN TOWARDS TO FUTURE 877

Figura 3. Relação entre FANET, VANET e MANET

Apesar das vantagens de se utilizar sistemas Multi-UAV, vários desafios devem ser considerados na sua arquitetura, dos quais destacam-se alguns: alta mobilidade dos nós, mudanças na topologia, transmissões com baixa latência, confiabilidade, modelo de propagação do rádio, consumo de energia, sistemas de localização, banda necessária, roteamento, entre outros. A seguir, alguns desses desafios serão discutidos.

A. Mobilidade dos nós Os nós de uma FANET possuem alta mobilidade, quando comparado com outros tipos de rede móveis. Dependendo dos modelos, os UAVs podem ter velocidade variando de 30 km/h até 460 km/h [23]. Além disso, como os UAVs podem ter mobilidade em três dimensões, a altitude em que eles se encontram também podem impactar na performance da rede. Essas características fazem com que o tradicional roteamento IP para redes móveis não atenda as necessidades específicas necessárias para o bom desempenho das FANETs, assim como levar a degradação da qualidade dos links sem fio. Estas situações resultam em vários desafios em busca de um modelo eficiente de comunicação. Portanto, os modelos de mobilidade a serem desenvolvidos para as FANETs devem se adequar a realidade das características dos UAVs, tais como a alta mobilidade, restrições mecânicas, aerodinâmica e também a requisitos de distância segura entre os UAVs. Por isso, existem na literatura modelos de mobilidade 2D (eixos x e y) e 3D (eixos x, y e z), dos quais alguns deles são abordados a seguir.

B. Modelos de Mobilidade Os modelos de mobilidade, que são responsáveis por modelar o comportamento relativo à velocidade e direção de locomoção dos nós, devem ser levados em consideração em busca de se alcançar uma comunicação eficiente nas FANETs. O fato de realizar experimentos com UAVs, podem incorrer em gastos significativos, além de restrições específicas de projetos, fazendo com que seja uma tarefa árdua generalizar resultados de avaliação de performance, levando a necessidade no uso de modelos de mobilidade para avaliar o desempenho da rede em simulações. Os nós de uma FANET possuem características de mobilidades bem diferentes das encontradas em outros tipos de redes móveis. Os nós de uma MANET possuem, de forma geral, mobilidade aleatória. Geralmente, o modelo de mobilidade utilizado nas MANETs é modelo

Random Waypoint (RWP) graças a sua simplicidade de implementação [24]. Nesse modelo, o algoritmo escolhe para cada nó, em cada instante de tempo, um ponto de destino e uma velocidade constante, de forma aleatória, na qual o nó se moverá até chegar ao seu destino. Nas VANETs, devido ao fato dos nós serem veículos, a mobilidade é restrita pelas estradas, ruas e o fluxo do trânsito. Sendo assim, é mais fácil predizer a mobilidade dos veículos. Nas FANETs, a escolha do modelo de mobilidade a ser utilizado deverá depender da aplicação. O modelo de mobilidade Gauss-Markov 2D [25], basicamente consiste em determinar a próxima localização de um nó, baseada na sua localização e velocidades anteriores. Sendo assim, um dado UAV com velocidade Vt em um instante de tempo t é dependente da velocidade Vt em um instante de tempo t-1. O modelo de mobilidade Gauss-Marlov 3D [26], considera além dos eixos x e y, já adotados no modelo Gauss-Markov 2D, o eixo z, relativo à altura, o que aumenta mais o realismo da mobilidade dos UAVs. Outro modelo de mobilidade usado é o Smooth Turn [27][28] que também pode ser 2D ou 3D. Basicamente o modelo Smooth Turn, foi concebido de forma a capturar a tendência de livre movimentação dos UAVs, com trajetórias retas ou curvas com raios grandes. Com esse comportamento, podem ser citadas como aplicações vislumbradas com o uso desse modelo o reconhecimento e patrulhamento de áreas. O Semi-Random Circular Movement (SCRM) [29] é um modelo de mobilidade que busca restringir os UAVs a se movimentarem em torno de um ponto central fixo com raio variável. Uma potencial aplicação para esse modelo é a de busca e salvamento, onde a última localização conhecida da vítima perdida pode servir naturalmente como o centro do círculo, fazendo a busca pela área em torno desse ponto central. É mostrada na Fig. 4 uma amostragem do modelo SCRM.

Figura 4. Modelo de mobilidade SCRM O modelo Pheromone Repel [30][31] é um modelo proposto para aplicações de reconhecimento de área. Os mapas de feromônios são responsáveis pela probabilidade de selecionar os modos de mobilidade dos UAVs. De forma geral, a área a ser vistoriada é dividida em pequenas grades. Assim, cada UAV acompanha um mapa de feromôno do campo, marcando o tempo ki quando ele visitar a grade i dentro de um intervalo de tempo k. Além disso, os UAVs


dentro da área de transmissão podem trocar os seus mapas de feromônio, usando da disseminação em broadcast. Os mapas trocados entre os UAVs produzem uma medição chamada phromone smell, que é responsável por capturar a visão local de cada grade. Dessa forma, os UAVs, através do pheromone smell, são guiados de forma a evitar regiões que foram recentemente visitadas. Na Fig. 5, é possível ver um exemplo de trajetórias de UAVs utilizando o modelo de mobilidade Pheromone Repel.

Figura 5. Modelo de mobilidade Pheromone Repel

Também existe o modelo de mobilidade onde o plano de vôo é antecipadamente definido. Consideram-se que os UAVs, antes de iniciar a sua missão, já sabem qual o caminho a ser percorrido. O modelo que utiliza tal estratégia é o Flight-Plan Based Mobility Model [32]. Sabendo que o espaço aéreo é bastante heterogêneo, com a presença de diferentes tipos de veículos aéreos com diversos propósitos [33], é bastante desafiador considerar um único modelo de mobilidade que atenda a todos estes veículos. Para atender a necessidade de ter vários padrões de mobilidade para diferentes tipos de veículos, os modelos de mobilidade Multi-Tier são apresentados [34][35]. Estes modelos podem considerar várias características tais como altitude e diferentes tipos de veículos aéreos. Além disso, devem ser levados em conta a presença de infraestrutura no ambiente e vários outros fatores. Por isso, são modelos de mobilidade de alta complexidade para serem modelados. No modelo de mobilidade Paparazzi [36] os UAVs possuem cinco movimentos, nomeados como Stay-at (Fig.6(a)); Way-Point (Fig.6(b)); Eight (Fig.6(c)); Scan (Fig.6(d)) e Oval (Fig.6(e)). Este modelo de mobilidade possui propriedade estocástica, onde os cinco movimentos apresentados possuem um percentual de probabilidade de ocorrer. É recomendado ao leitor o artigo [37] para um maior aprofundamento nos modelos de mobilidades existentes para FANETs.

C. Topologia dinâmica Como já visto, os UAVs possuem um alto grau de mobilidade. Essa característica deve ser considerada no

projeto de implementação de uma FANET. Outras características também devem ser analisadas para redefinição de rotas pelos protocolos de roteamento tais como: a presença de montanhas, falhas de UAVs durante a missão, a adição de novos UAVs para realização de uma missão, condições do tempo e instabilidades geográficas como variações de altura no terreno, presença de rios, entre outros. Esses fatores podem influenciar na topologia da rede, impactando diretamente no aumento das mensagens de sinalização, atrasos e menores taxas de entrega, pois os protocolos de roteamento terão que atualizar as suas tabelas de rotas a cada mudança na topologia.

Figura 6. Movimentos do modelo Paparazzi [36]

D. Baixa Latência

Determinadas aplicações, como por exemplo, operações de busca e resgate, agricultura de precisão, monitoramento militar, prevenção contra colisões entre UAVs, necessitam de rápido tempo de resposta, implicando diretamente na qualidade do serviço (QoS)[38]. Assim como em outros tipos de redes, latência é um fator crítico nas FANETs. Nas FANETs, uma forma de reduzir a latência seria reduzir o número de saltos com transmissões de maior alcance. Porém, isso implica em se utilizar antenas de maior porte, o que pode não ser viável em situações onde serão utilizados UAVs de menor porte. Além disso, deve ser considerado o desenvolvimento de algoritmos de roteamento que lidem com características exclusivas das FANETs, como por exemplo, a alta mobilidade, buscando reduzir a latência.

E. Confiabilidade

A confiabilidade em uma FANET é alcançada a partir do momento em que os UAVs conseguem se comunicar e dada uma falha de um link de comunicação, seja por motivos como colisão entre UAVs ou problemas com baterias, por exemplo, a comunicação ainda ocorre entre outros UAVs e a infraestrutura. Se um UAV falha, informações sobre a missão podem ser perdidas. Assim, os protocolos de roteamento também devem lidar com esses problemas de perdas de link de comunicação, criando novas rotas de comunicação de forma


com que as informações dos UAVs consigam ser transmitidas entre UAV origem e usuário final (destino).

F. Roteamento

Um dos maiores desafios na implementação de qualquer tipo de rede, e nas FANETs não é diferente, é como realizar o roteamento dos dados no sentido origem-destino. Como já abordado, o roteamento deve lidar com várias características desse tipo de rede, como por exemplo, a mobilidade dos UAVs, a mudança topológica levando ao particionamento da rede, requisitos de QoS, entre outros. Os requisitos de banda necessários dependem do tipo de aplicação a ser utilizada, seja uma aplicação de voz, dados ou vídeo. Enviar dados sobre um determinado evento de desastre natural, como uma enchente, por exemplo, requer um protocolo de roteamento com 100% de confiança, com baixo delay e jitter. Existem alguns trabalhos que buscam adaptar o uso de protocolos clássicos das MANETs para as FANETs, devido a aparente similaridade [39][40][41]. Porém, é visto que os protocolos de roteamento em ambientes FANETs devem considerar algumas características além daquelas já existentes nas redes móveis tradicionais. Além de lidar com questões como escalabilidade, latência, confiabilidade e garantia de QoS, nas FANETs os protocolos de roteamento devem lidar também com a localização dos UAVs, o consumo de energia e serem mais robustos com relação à links intermitentes e mudanças topológicas, buscando redução de delay e alta taxa de entrega. Logo, devido a algumas peculiaridades existentes nas FANETs, para se alcançar uma comunicação confiável entre UAVs e entre UAVs e infraestrutura é necessário projetar novos protocolos de roteamento que considerem essas características. Portanto, ainda é um desafio a ser enfrentado [42]. O advento de novas tecnologias abre novos horizontes em relação ao roteamento de dados nas FANETs. Dessas novas abordagens, destacam-se as Redes Definidas por Software (SDN) [43] e a computação em névoa, também conhecida por Fog Computing [44].

III. APLICAÇÕES DAS FANETS

Levando em consideração as características e aspectos arquiteturais das FANETs já mostrados na seção anterior, diversas aplicações são vislumbradas, em várias áreas, que vão desde segurança pública, área militar, até monitoramento de tráfego e no gerenciamento de áreas agrícolas. Na Fig. 7 são elencadas algumas das possíveis aplicações das FANETs.

A. Levantamentos A necessidade de obter dados de grandes áreas com precisão e com rapidez, faz com que o uso de UAVs seja de grande importância. Devido ao fato de praticamente não ter restrições em sua mobilidade, os UAVs conseguem acessar locais de difícil acesso, fazendo a leitura da área e a partir de tal leitura, enviar esses dados para um centro de controle para serem posteriormente processados e classificados.

B. Obras Um outro tipo de aplicação importante ao se adotar o uso de UAVs é a análise do andamento de obras. Com o uso de UAVs é possível obter imagens em diferentes instâncias de tempo, e assim compará-las, analisando a evolução das obras. Além disso, é vislumbrada com o uso de UAVs a possibilidade de se analisar a movimentação de terra, como por exemplo, em regiões com presença de barragens, ou regiões de serra, de forma a verificar a possibilidade de possíveis quedas e assim, realizar um planejamento pró-ativo, evitando até mesmo desastres, através de mecanismos de contenções de terra.

Figura 7. Exemplos de aplicações de UAVs

C. Prestação de serviços As aplicações dos UAVs para prestação de diversos tipos de serviços também são vislumbradas. Algumas empresas tais

• Rápida aquisição • Acessibilidade de locais • Classificação de dados

Levantamentos

• Evolução • Movimentação de terra • Planejamento

Obras

• Entrega de produtos • "Follow me" em ambientes perigosos

Prestação de serviços

• Projetos • Monitoramento do crescimento

Áreas de expansão urbana

• Manejo de culturas • Avaliação da saúde das plantas • Falhas no plantio

Agricultura

• Inundações e desabamentos • Danos causados por fogo • Avaliação de danos em infra-estrutrura

Avaliação de desastres

• Mapeamento de acidentes com veículos • Mapeamento de cenas de crime

Serviços Policiais


como Google e Frete Rápido vislumbram a entrega de produtos usando UAVs. Ambas as empresas já estão em período de testes no uso dessa tecnologia. Além disso, algumas empresas utilizam UAVs com outros propósitos de prestação de serviços. A empresa de seguros Direct Line oferece um serviço, ainda em fase de testes, chamado Fleetlights, cujo objetivo principal é fazer com que os UAVs, através de um aplicativo de celular, sejam chamados e iluminem áreas onde um segurado esteja atravessando e que seja desprovida de iluminação pública.

D. Áreas de expansão urbana Com o aumento das áreas urbanas, um maior planejamento das áreas onde serão alocadas mais construções é necessário. Por isso, os UAVs podem auxiliar os governos e empresas privadas da construção a realizar monitoramentos no crescimento de determinadas áreas, assim como em aspectos geográficos como relevo, auxiliando na elaboração de projetos para a construção de prédios, casas entre outras estruturas físicas.

E. Agricultura A possibilidade de usar UAVs na agricultura para o manejo de culturas mostra um grande potencial no uso dessa tecnologia. Além disso, o uso de UAVs em conjunto com outras tecnologias como as Redes de Sensores Sem Fio e a Computação em Névoa, contribuem significativamente no envio dos dados lidos para o usuário, reduzindo latência e, assim, expandindo a possibilidade de aplicações dos UAVs na agricultura para o manejo de culturas, seja na irrigação, na análise de temperatura, mapeamento de áreas para análise da qualidade de plantio, na avaliação da saúde das plantas e também na verificação de falhas no plantio.

F. Avaliação de desastres Eventos climatológicos e geográficos tais como tsunamis, furacões, enchentes, desabamentos e eventos humanos como queimadas em florestas, podem causar desastres de enormes proporções. O acesso humano a determinadas regiões afetadas por algum desses tipos de desastres torna-se inviável em muitos casos. Devido a isso, auxílio dos UAVs para avaliação do impacto desses desastres, assim como para o auxílio na localização e resgate de vítimas é visto com bons olhos. Além disso, os UAVs juntamente com as Redes de Sensores sem Fio podem ser utilizados para verificar o impacto em infraestruturas atingidas, onde o acesso humano seja potencialmente perigoso, como em prédios com colapsos significativos na estrutura.

G. Serviços Policiais Com o crescimento do número de veículos automotores equipados cada vez mais com diversas tecnologias à bordo,

tais como câmeras, sensores, GPS, computadores de bordo, entre outros recursos, tenderá a aumentar a segurança nas estradas. Porém, o fator humano ainda é primordial. Nas estradas, o uso de UAVs como recurso auxiliar no reconhecimento de acidentes, para transferir informações como, por exemplo, localização do acidente, contactar o serviço de emergência e policial mais próximo, fazendo com que uma FANET se integre às VANETs, é de extrema importância. Além disso, os UAVs podem ser úteis em situações de reconhecimentos de crimes ou até mesmo de movimentação suspeita em uma região com alta densidade de pessoas.

IV. COMUNICAÇÃO/ROTEAMENTO EM FANETS

Um dos maiores desafios quando o assunto é redes de comunicação, é realizar o roteamento dos dados, de forma confiável, entre um par origem-destino. As FANETs possuem características tais como alta mobilidade com diferentes velocidades, consumo de energia, interferências, condições naturais, entre outras, o que pode implicar em links de comunicação instáveis com taxas de erros significativas, particionamento da rede, mudança na topologia e tempo limitado de vida da rede devido às restrições energéticas dos UAVs, levando a constantes atualizações das tabelas de rotas dos nós, comprometendo o roteamento dos dados. Assim sendo, os protocolos de roteamento de dados em FANETs, devem saber lidar com as características existentes neste tipo de rede de forma a conseguir um desempenho satisfatório, de acordo com a métrica desejada (atraso, taxa de entrega, consumo de energia, entre outras).

A. QUAL ESTRATÉGIA DE ROTAMENTO A SER ADOTADA?

Nas redes FANETs, várias características devem ser levadas em consideração, quando o assunto é qual o tipo de roteamento ideal a ser usado. Aspectos como a quantidade de UAVs a serem utilizados, tipo de topologia, qual o tipo de aplicação pois podem ter diferentes requisitos (áudio, vídeo ou dados), posições dos UAVs, se atuarão como clientes, servidores ou retransmissores, entre outras, devem ser considerados no momento de se adotar uma estratégia de roteamento. Alguns protocolos clássicos foram modificados em busca de uma solução que atenda às necessidades das FANETs, porém mostra-se que o campo ainda se encontra com desafios em aberto, atraindo a atenção de pesquisadores [1].

B. ROTEAMENTO DAS REDES MÓVEIS E AS FANETS

Diversos pesquisadores vislumbram a possibilidade de se utilizar protocolos de roteamento usados em outros tipos de redes sejam as MANETS, VANETs, Redes Tolerantes à Atrasos (DTN) ou outros tipos de redes nas FANETs. Protocolos clássicos pró-ativos nas MANETs/VANETs tais como DSDV [45], OLSR [46], BABEL [47] e


B.A.T.M.A.N [48] devido ao fato da necessidade de preencherem as tabelas de roteamento dos nós no início do funcionamento da rede e quando há mudança na topologia da rede, geram alto overhead, impactando diretamente no atraso, além da necessidade de mais banda para realizar a atualização das tabelas de forma periódica. Porém, alguns trabalhos, mostram que tais protocolos não possuem performance satisfatória em ambientes FANETs [49][50]. Os protocolos reativos têm como característica principal a construção das tabelas de rotas somente quando necessária a comunicação entre um par de nós. Podem ser citados dois protocolos clássicos que se encaixam nesta categoria: AODV [51] e DSR [52]. Uma vantagem significativa dos protocolos reativos é a redução do overhead gerado, devido a não necessidade de estarem periodicamente enviando mensagens para atualização/construção de rotas. Especificamente no protocolo DSR o fato de que o pacote deve conter endereços de todos os nós envolvidos na comunicação origem-destino, impacta diretamente na escalabilidade da rede, não lidando com o dinamismo das FANETs. Portanto, sua adoção é complicada. Em relação ao protocolo AODV, devido ao fato de não precisar criar tabelas de roteamento no início do funcionamento da rede, implica em menor overhead, porém em maior atraso na construção das rotas. Vale destacar que, falhas nos links de comunicação, torna-se necessária a descoberta de novas rotas, aumentando atraso e maior consumo de banda conforme a quantidade de nós na rede aumenta, mostrando que escalabilidade também é um problema enfrentado por esse protocolo, tornando a sua adoção complicada nas FANETs. Outro tipo de abordagem adotado para roteamento nas FANETs é o roteamento DTN. Em situações onde possam existir links intermitentes e contatos oportunistas, roteamento é desafiador, pois não se sabe quando os nós estarão em contato para troca de informações e nem por quanto tempo este contato estará disponível. Além disso, deve-se levar em consideração a probabilidade do nó contactado em levar a informação o mais próximo possível do destino, tamanho do buffer dos nós envolvidos na comunicação e quais informações são prioritárias, considerando que o nó já possui outras informações a serem entregues. Por isso é importante maximizar a probabilidade de entrega minimizando o atraso [53]. Devido às limitações de espaço, o autor sugere a leitura do trabalho [54], onde o assunto roteamento é abordado com maiores detalhes.

V. SIMULADORES A necessidade de se avaliar o desempenho e o impacto das aplicações, protocolos de roteamento, modelos de mobilidades, entre outras características em uma rede de computadores, faz necessária a realização de experimentos. Porém, realizar experimentos reais nas FANETs, com vários UAVs, pode ser extremamente custoso e complexo. Devido a isso, simuladores são utilizados com o objetivo de avaliar performance e a viabilidade de sistemas computacionais com menor custo, em um curto período de tempo. Algumas características devem ser consideradas em um simulador voltado para as FANETs. 1) Ter suporte a diversos

modelos de mobilidade; 2) Modelos de propagação realísticos; 3) Suportar simulações em ambientes com três dimensões; 4) Interface gráfica amigável e 5) Ferramentas para análise dos resultados das simulações. Alguns simuladores clássicos de rede já foram utilizados para simular redes FANETs na literatura. No trabalho [55] os autores simularam uma FANET em grande escala usando um clássico simulador de redes, o NS3 [56]. Outro simulador clássico já utilizado na literatura de redes de computadores é o OMNeT++. Especificamente de forma a atender simulações das FANETs, foi desenvolvido uma extensão chamada UAVSim [57] para o simulador OMNeT++. Esta extensão fornece uma interface gráfica (GUI) amigável que permite ao usuário controlar a experimentação que está sendo realizada, assim como, analisar os resultados obtidos e a otimização do tempo de simulação. Na Fig. 8, são mostrados os módulos que compõem a extensão UAVSim. O AeroSim [58] utiliza-se da popularidade de um outro clássico simulador de redes, o NS2 [59], trabalhando em conjunto, fornecendo novas funcionalidades, assim dando suporte à simulação de FANETs. Algumas das funções possíveis de serem configuradas, destacam-se a possibilidade de implementação de ambientes com três dimensões, assim como características específicas existentes nos UAVs, dando maior realismo, diferentes tipos de nós e compatibilidade com a pilha de protocolos TCP/IP. No trabalho [60] os autores desenvolveram o AVENS, que é um simulador totalmente voltado para a simulação de FANETs, onde os autores apresentam uma prova de conceito (POC) da ferramenta, mostrando a sua viabilidade.

Figura 8. Extensão UAVSim e seus módulos

VI. CONCLUSÕES As FANETs estão atraindo a atenção de diversos pesquisadores da comunidade científica e ganhando importância, especialmente para aplicações civis. Algumas características tais como a dinamicidade dos nós, seja em velocidade, quanto na mobilidade nos planos 2-D e 3-D, links intermitentes e os diversos ambientes em que os UAVs podem estar inseridos, mostram que as FANETs ainda necessitam de maior investigação.

UAVSim

Bibliotecadeataque

MóduloderedeUAV

BibliotecademodeloUAV

InterfaceGráfica

Análisederesultados

NavegadordemodelosUAV


Modelar a mobilidade dos UAVs não é tarefa trivial. Nem sempre utilizar modelos de mobilidade analíticos, gerados por ferramentas tais como BonnMotion [61], entre outros, representa um ambiente real com todas as suas complexidades. Ainda faltam validar os modelos com traces reais além da ausência de uma maior parametrização dos modelos de mobilidade utilizados. Encontrar a melhor rota, garantindo confiabilidade, permitindo escalabilidade da rede, com latência mínima, atendendo aos requisitos de QoS, é desafiador nas FANETs. Assim, roteamento é um problema ainda em aberto que atrai a atenção de muitos pesquisadores, apesar das várias tentativas de implementação ou modificações de protocolos clássicos de forma a atender as FANETs. O advento de novas abordagens como as Redes Definidas por Software e a Computação em Névoa podem abrir novos horizontes em busca de soluções em roteamento nas FANETs, buscando atender os requisitos de QoS dos diversos tipos de aplicações. Outra área que demanda atenção é a criação de ferramentas de simulação para as FANETs. Em geral, as ferramentas existentes não possuem interface gráfica muito amigável. Além disso, existem simuladores que não conseguem modelar comunicação 3-D, característica importante a ser considerada nas FANETs [62]. Outro problema que deve ser considerável é a escalabilidade. O fato de ter ambientes 3D, torna o problema ainda maior a ser resolvido, e dependendo do tipo de rede FANET a ser simulada, a quantidade de nós pode ser considerável, o que demanda simuladores e computadores com maiores poderes computacionais. Neste trabalho buscou-se abordar as arquiteturas de uma FANET, características dos UAVs, dando ao leitor uma visão da conceituação das FANETs. Além disso, foram discutidos modelos de mobilidade, algumas das diversas aplicações vislumbradas com as FANETs. Destaca-se também a visão dada sobre o roteamento de dados dentro de uma FANET e o uso de protocolos clássicos de redes MANET e VANET no ambiente das FANETs. O uso de simuladores de redes móveis clássicos para a simulação de FANETs também mereceu atenção. Espera-se motivar pesquisadores a continuar investigando essa área que possui diversos problemas em aberto, encorajando-os em busca de soluções.

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Ederval Pablo Ferreira da Cruz é tecnólogo em Processamento de Dados pelo Centro Universitário do Espírito Santo (2001), especialista em Redes de Computadores pela Universidade Federal de Lavras (2009) e mestre em Informática pela Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro (2012). Atualmente atua como professor

EBTT no Instituto Federal do Espírito Santo (IFES) – Campus Itapina. Seus interesses de pesquisa incluem WSN, VANETs, FANETs, Fog Computing, Software Defined Networks (SDN), Network Functions Virtualization, uso da Informática na agricultura e uso da Informática na Educação.


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