Desenvolvimento da sub-camada MAC IEEE 802.11p/1609.4

Abstract

As comunicações veiculares visam melhorar a segurança nas estradas através da disponibilização de informação ao condutor e oferecer aos restantes ocupantes uma viagem mais agradável através de fontes de informação e entretenimento. Este cenário permite, por exemplo, o envio de mensagens de emergência, assim como o envio de um serviço disponibilizado pela internet. Esta forma de comunicação denominada Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET), é um tipo de comunicação em que os dispositivos cooperam entre si, sem a necessidade da existência de um ponto de controlo fixo. A VANET apresenta as vantagens de possuir uma topologia de rede variável, permitir a comunicação entre um vasto número de nós e adaptação a percursos específicos. A família de normas IEEE 1609.x e a norma IEEE 802.11p especificam cada camada do modelo Open Systems Interconnection (OSI) que implementam as VANET's. Este conjunto de normas constitui o núcleo da Dedicated Short-Range Communications (DSRC). O trabalho descrito nesta dissertação insere-se no projecto Distributed Rout-ing and Infotainment through VEhicular Inter-Networking (DRIVE-IN). Este projecto tem como objectivo avaliar como a comunicação Vehicle to Vehicle (V2V) pode melhorar a experiência do utilizador nas estradas e a eficiência global da utilização do veículo e das estradas, através da realização de uma testbed na cidade do Porto, utilizando 465 taxis e alguns autocarros locais para tal. Este trabalho insere-se na primeira fase do projecto DRIVE-IN, onde todo o sistema base para VANET é desenvolvido. O trabalho realizado no âmbito desta dissertação teve como foco a implementação das normas IEEE 802.11p e IEEE 1609.4, que descrevem o comportamento da sub-camada Medium Access Control (MAC) para dispositivos Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE), sub-camada entre a camada física e a sub-camada Logical Link Control (LLC) do modelo OSI, responsável pelo controlo do acesso ao meio físico. A norma IEEE 802.11p apresenta alterações em relação à Quality of Service (QoS) para dispositivos WAVE e introduz o conceito da comunicação fora do contexto de uma Basic Service Set (BSS). A norma IEEE 1609.4 introduz os conceitos de Service CHannel (SCH) e Control CHannel (CCH), e descreve o funcionamento da sub-camada MAC WAVE. Esta norma descreve o encaminhamento, a coordenação, os tipos de acesso aos canais e a sincronização. Na implementação das funcionalidades apresentadas nestas normas, foi utilizada uma placa wireless mini-Peripheral Component Interconnect (PCI) que utiliza o chipset da Atheros AR5414A. O driver dependente do hardware utilizado para esta placa é denominado ath5k. Através da alteração do Free and Open Source Software (FOSS) driver ath5k, foi implementada a sub-camada MAC WAVE em Linux. Este driver faz a interface entre o hardware e a stack wireless do Linux, estando esta dividida nos módulos mac80211 e cfg80211. Utilizou-se a aplicação iw para facilitar a configuração da MAC, visto que iw utiliza sockets netlink para comunicação userspace-kernelspace. Por último são apresentados os resultados conseguidos, tais como o tempo médio de troca entre canais e taxas de transferência reais conseguidas com esta implementação.

The vehicular communications aim to improve safety on the roads by providing information to the driver and o ering to the rest of the occupants a more enjoyable trip through sources of information and entertainment. This scenario allows, for example, the sending of warning messages, as well as services available over the internet. This form of communication named Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET), is a type of communication that devices cooperate with each other, without need to exist a xed control point. VANET presents the advantages of owning a variable network topology, allowing communication between a large number of nodes and adaptation to speci c routes. IEEE 1609.x standards family and IEEE Std 802.11p specify each layer of the model that implement the Open Systems Interconnection (OSI) model for VANET's. This set of standards is the core of the Dedicated Short- Range Communications (DSRC). The work described in this thesis is part of the Distributed Routing and Infotainment through Vehicular Inter-Networking (DRIVE-IN). This project aims to evaluate how communication Vehicle to Vehicle (V2V) can improve the user experience on the roads and the overall e ciency of the use of testbed in Porto, using 465 taxis and some local buses. This work is part of the rst phase of the DRIVE-IN project, where the entire base system for VANET is developed. The work done in this thesis focused on the implementation of IEEE Std 802.11p e IEEE Std 1609.4, which describe the behavior of the Medium Access Control (MAC) sub-layer to Wireless Access in the Vehicular En- vironment (WAVE) devices, sub-layer between the physical layer and the Logical Link Control (LLC) sub-layer of the OSI model, responsible for controlling access to the physical environment. IEEE Std 802.11p shows changes in Quality of Service (QoS) for WAVE devices and introduces the concept of communication outside the context of a Basic Service Set (BSS). IEEE Std 1609.4 introduces the concepts of Service CHannel (SCH) and Control CHannel (CCH), and describes the operation of the WAVE MAC sub-layer. This standard describes the channel routing, coordination and access modes, and synchronization. In the implementation of the functionalities described by these standards, the mini-Peripheral Component Inter- connect (PCI) wireless board, that uses the AR5414A Atheros chipset, was used. The hardware-dependent driver used for this board is called ath5k. By changing the Free and Open Source Software (FOSS) driver ath5k, the MAC WAVE sub-layer was implemented in Linux. The hardware interfaces with the wireless stack through this driver, while wireless stack is divided in mac80211 and cfg80211 modules. iw application was used to facilitate the setting of the MAC sub-layer, since iw uses netlink sockets to userspace-kernelspace communication. Finally the achieved results are presented, such as the average channel switching time and the actual transfer rates achieved with this implementation.