Etapa 2 - Simulação e Modelagem (Pesquisa Computacional)

Bloco 1 - Preparação do Ambiente e Infraestrutura de Simulação

Foco: Preparar o ambiente computacional, instalar os motores de simulação e reproduzir o ambiente físico real dentro do simulador.

[ ] 1. Instalar dependências e compilar o NS-3: Preparar o ambiente de desenvolvimento (Linux/WSL), instalar as bibliotecas necessárias e validar a compilação do núcleo do simulador.
[ ] 2. Instalar e configurar o SUMO (Simulation of Urban MObility): Preparar o simulador de mobilidade urbana e validar sua execução independente.
[ ] 3. Extrair a malha viária e topográfica: Exportar o mapa de uma área de risco real (ex.: região ribeirinha de Santa Maria/RS via OpenStreetMap) e converter os dados para utilização no SUMO.
[ ] 4. Configurar o wrapper de integração tráfego-rede: Integrar SUMO e NS-3 por meio do TraCI ou mecanismo equivalente, sincronizando a movimentação dos veículos com as posições dos nós móveis da rede.
[ ] 5. Definir o sistema de logs e traces: Configurar a geração de registros PCAP, ASCII e demais traces necessários para depuração, análise de pacotes e reconstrução dos eventos da simulação.

Bloco 2 - Modelagem da Camada Física, Enlace e Mobilidade

Foco: Representar no ambiente virtual o comportamento do rádio, as condições adversas de propagação e a movimentação dos diferentes tipos de nós.

[ ] 1. Implementar o modelo de propagação RF: Configurar modelos de Path Loss e atenuação capazes de representar condições severas, incluindo chuva intensa, obstáculos urbanos, vegetação e superfícies úmidas.
[ ] 2. Parametrizar o rádio principal (LoRa): Configurar frequência de operação (ex.: 915 MHz no Brasil), Spreading Factor (SF), largura de banda, potência de transmissão e demais parâmetros relevantes.
[ ] 3. Parametrizar o rádio de backhaul (Wi-Fi HaLow/4G): Configurar os enlaces de maior capacidade utilizados pelos Gateways para comunicação com infraestrutura externa.
[ ] 4. Aplicar modelo de mobilidade estática: Fixar as posições virtuais em coordenadas x, y e z dos nós Sensor, Relay, Router, Storage e Gateway conforme a topologia definida.
[ ] 5. Aplicar modelo de mobilidade terrestre (2D): Configurar as rotas de ambulâncias, veículos civis e demais agentes móveis responsáveis pelo transporte dos nós Mobile, utilizando a malha viária fornecida pelo SUMO.
[ ] 6. Aplicar modelo de mobilidade aérea (3D): Implementar trajetórias como Random Waypoint, varredura em grade ou rotas previamente definidas para representar Drones atuando como Data Mules.

Bloco 3 - Modelagem de Energia (Energy Framework)

Foco: Representar matematicamente o consumo energético dos nós e avaliar a capacidade da rede de permanecer operacional durante longos períodos.

[ ] 1. Integrar o NS-3 Energy Framework: Associar um modelo energético individual a cada nó da simulação e vincular o consumo às atividades de comunicação e processamento.
[ ] 2. Configurar as fontes de energia: Definir a capacidade inicial das baterias, utilizando modelos compatíveis com os perfis teóricos de LiFePO4 para nós de maior capacidade e Li-Ion para sensores compactos.
[ ] 3. Parametrizar o consumo em miliamperes (mA): Incorporar os modelos definidos na Etapa 1 para os estados de Transmissão, Recepção, Idle e Deep Sleep.
[ ] 4. Implementar o Energy Harvester: Simular a recarga proveniente de painéis solares e controladores MPPT considerando ciclos de iluminação, períodos diurnos e noturnos.
[ ] 5. Programar callbacks de bateria baixa: Criar mecanismos de notificação para a camada lógica quando a energia do nó atingir limites críticos, como 50%, 20% e 5%.

Bloco 4 - Implementação da Inteligência ARES (Protocolos)

Foco: Implementar no simulador o núcleo distribuído da arquitetura ARES, incluindo priorização, armazenamento, roteamento, descoberta e adaptação autônoma dos nós.

[ ] 1. Estruturar o pacote e o payload customizado: Definir e implementar a estrutura binária do cabeçalho, priorizando baixo overhead, identificação da mensagem, origem, destino, prioridade, TTL e informações necessárias ao roteamento.
[ ] 2. Codificar o algoritmo de fila de prioridades: Implementar uma fila preemptiva capaz de priorizar mensagens P0 de emergência sobre tráfego de menor prioridade, como mensagens P4 de telemetria.
[ ] 3. Codificar o DTN (Store-and-Forward): Implementar buffers virtuais persistentes para armazenar temporariamente pacotes quando não houver uma rota disponível até o destino.
[ ] 4. Codificar o protocolo de roteamento (Energy-Aware Self-Healing): Implementar a seleção dinâmica de rotas considerando energia disponível, qualidade do enlace, disponibilidade dos vizinhos e detecção de nós inoperantes.
[ ] 5. Codificar a máquina de estados dinâmica: Implementar as regras de transição autônoma entre papéis. Ex.: se a bateria estiver abaixo de determinado limiar e o nó atuar como Router, alterar sua função para Relay passivo.
[ ] 6. Codificar a lógica de descoberta (Discovery/Beacons): Implementar o envio periódico de beacons contendo informações essenciais sobre presença, energia, papel atual e disponibilidade dos nós.
[ ] 7. Codificar o algoritmo de déficit de conectividade: Implementar a lógica que permite ao nó Storage reter mensagens e detectar oportunidades de encaminhamento quando um nó Mobile entrar em sua área de comunicação.

Bloco 5 - Validação Incremental e Cenários de Desastre

Foco: Validar a arquitetura progressivamente, começando por experimentos controlados e evoluindo para cenários de desastre com falhas e congestionamento.

[ ] 1. Validação Point-to-Point (2 nós): Transmitir mensagens P0 e P4 entre dois nós para validar o cabeçalho, o mecanismo de prioridade e as métricas energéticas básicas.
[ ] 2. Validação de retransmissão simples: Adicionar um nó intermediário e verificar o encaminhamento correto de mensagens, o armazenamento temporário e a recuperação da comunicação após uma interrupção.
[ ] 3. Simulação de micro-malha (10 nós): Avaliar a formação dinâmica de rotas, a descoberta de vizinhos e o funcionamento dos beacons.
[ ] 4. Validação de falha localizada: Desativar nós intermediários individualmente e verificar o comportamento do mecanismo de self-healing e a seleção de novas rotas.
[ ] 5. Simulação em escala urbana (100 a 500 nós): Avaliar estabilidade, consumo de memória, tempo computacional, quantidade de mensagens de controle e colisões de pacotes.
[ ] 6. Validação de escalabilidade: Repetir os experimentos com diferentes densidades de nós e tamanhos de área para identificar limites computacionais e de comunicação.
[ ] 7. Executar Cenário 0 (Baseline): Executar a rede sem falhas em condições normais para estabelecer as métricas de referência.
[ ] 8. Executar Cenário 1 (Enchente Gradual): Desativar progressivamente Sensors e Relays localizados nas áreas mais baixas do mapa, representando a perda gradual de infraestrutura.
[ ] 9. Executar Cenário 2 (Queda Elétrica Grave): Desativar entre 30% e 50% dos nós estáticos em um intervalo curto para representar uma falha generalizada de energia.
[ ] 10. Executar Cenário 3 (Isolamento Total): Derrubar os Gateways principais e verificar se os nós Storage continuam armazenando e encaminhando mensagens de maneira assíncrona.
[ ] 11. Executar Cenário 4 (Resgate / Data Mule): Fazer um Drone ou veículo Mobile atravessar uma região isolada, coletar mensagens retidas nos Storages e transportá-las fisicamente até um Gateway operacional.
[ ] 12. Executar Cenário 5 (Congestionamento / Flood): Gerar uma carga elevada de mensagens P4 e inserir mensagens P0 de emergência para verificar a capacidade de priorização e entrega do tráfego crítico.

Bloco 6 - Coleta de Dados, Análise e Otimização

Foco: Transformar os resultados das simulações em métricas quantitativas, identificar gargalos e otimizar os protocolos ARES.

[ ] 1. Ativar e configurar o FlowMonitor: Configurar o módulo de monitoramento do NS-3 para registrar fluxos, perdas, atrasos, transmissões e demais eventos relevantes.
[ ] 2. Extrair o Packet Delivery Ratio (PDR): Calcular a proporção de pacotes P0 e P4 gerados que chegaram corretamente aos respectivos destinos.
[ ] 3. Analisar a latência ponta a ponta (End-to-End Delay): Medir os atrasos de comunicação direta e diferenciar esses resultados daqueles provenientes de mecanismos Store-and-Forward.
[ ] 4. Medir o Routing Overhead: Quantificar o volume de dados utilizado exclusivamente para descoberta, manutenção e atualização de rotas em comparação com o volume de dados úteis transmitidos.
[ ] 5. Analisar anomalias de bateria: Identificar hotspots energéticos e nós que assumem carga excessiva de encaminhamento, provocando consumo desproporcional.
[ ] 6. Refatorar os algoritmos com base nas falhas: Retornar ao Bloco 4 para ajustar parâmetros de sleep, frequência de beacons, pesos de roteamento, políticas de fila e demais mecanismos identificados como gargalos.
[ ] 7. Executar repetições estatísticas: Reexecutar os cenários utilizando múltiplas Random Seeds e calcular medidas estatísticas e intervalos de confiança adequados para a análise científica e futura publicação.

Bloco 7 - Documentação e Transição para Hardware

Foco: Consolidar os resultados computacionais e transformar as conclusões da simulação em especificações para a implementação física do ARES.

[ ] 1. Gerar gráficos acadêmicos: Exportar os resultados estatísticos e utilizar Python, Matplotlib e Pandas para produzir gráficos de consumo energético, latência, PDR, overhead e escalabilidade.
[ ] 2. Redigir o Capítulo de Metodologia: Documentar no LaTeX/MDX todas as configurações, modelos, parâmetros, topologias, premissas e condições utilizadas nas simulações.
[ ] 3. Redigir o Capítulo de Resultados e Análise: Apresentar os resultados obtidos, discutir o comportamento da rede e verificar experimentalmente as hipóteses estabelecidas na Etapa 1.
[ ] 4. Refatorar a arquitetura lógica: Registrar as alterações realizadas na arquitetura a partir dos resultados da simulação, incluindo justificativas quantitativas para cada mudança.
[ ] 5. Compilar o Relatório de Viabilidade Teórica: Consolidar os resultados e determinar se a arquitetura lógica e os protocolos propostos apresentam viabilidade suficiente para avançar para a implementação física.
[ ] 6. Estruturar a tradução para Firmware: Converter as lógicas desenvolvidas em C++ no NS-3 em especificações técnicas para implementação em C/C++ no microcontrolador e RTOS selecionados.
[ ] 7. Realizar a reunião de Design Review: Apresentar os resultados, gráficos, falhas encontradas, otimizações realizadas e decisões finais da arquitetura para avaliação acadêmica e orientação.
[ ] 8. Executar o congelamento da fase de simulação: Consolidar a versão final da arquitetura virtual, versionar os resultados e formalizar a aprovação para iniciar a fase de Firmware e Hardware físico.