Uloga bežičnih računalnih mreža u prometnom sustavu vozila Mate Boban Ovi materijali temelje se na radu koji je sufinancirala Nacionalna zaklada za znanost,

Uloga bežičnih računalnih mreža u prometnom sustavu vozila

Mate BobanOvi materijali temelje se na radu koji je sufinancirala Nacionalna zaklada za znanost, visoko školstvo i tehnologijski razvoj Republike Hrvatske

Copyright © Mate Boban ([email protected])

Bežične računalne mreže u prometu - pregled

Sigurnosne aplikacije

Upravljanje prometomKorisničke aplikacije

Copyright © CVIS


Što je VANET?

• VANET (Vehicular Ad-hoc NETworks) je vrsta mobilnih ad-hoc mreža (MANET) kojoj je funkcija omogućiti komunikaciju između vozila na cesti, te vozila i opreme koja se nalazi uz cestu.

• Zadaća VANET-a je podržati aplikacije koje: Spašavaju živote sudionika u prometu (sigurnosne

aplikacije) Omogućavaju efikasnije iskorištenje cesta (aplikacije za

upravljanje prometom) Povećavaju komfor putnika u vozilima

(korisničke/komercijalne aplikacije)

• VANET je termin koji obuhvaća veći broj tehnologija od kojih će neke u budućnosti omogućiti efikasnu komunikaciju između vozila.


Sadržaj

• Vrste aplikacija ostvarivih pomoću VANET bežičnih mreža u prometnom sustavu

• VANET tehnologije

• Karakteristike prometa vozila Brzina vozila Distribucija vozila na prometnicama

• Modeliranje ponašanja vozila/vozača Cellular Automata (CA) model Car Following model

• Modeliranje signala u VANET okruženju Autocesta Grad

• Izvedivost unicast real-time aplikacija u VANET mrežama


Vrste aplikacija: Sigurnosne aplikacije

• Važnije sigurnosne aplikacije: Obavijest o sudaru Izbjegavanje sudara na raskrižjima Obavijest o opasnosti na cesti (led, ulje, kamenje,...) Obavijest o sporom/zaustavljenom vozilu Hitno elektroničko svjetlo kočnice Obavijest o prisutnosti pješaka

• Komunikacijske karakteristike tipičnih sigurnosnih aplikacija: Brza razmjena (<100 ms) malih poruka (≈100 B) Razmjena poruka potaknuta događajem (event-driven) Tip komunikacije: jedan prema više Promjenjivo područje interesa


Vrste aplikacija: Upravljanje prometom

• Važnije aplikacije za upravljanje prometom Obavijest o zakrčenju na cesti Naplata cestarine bez zaustavljanja Obavijesti o raspoloživosti mjesta za parking

• Komunikacijske karakteristike tipičnih aplikacija za upravljanje prometom: Promjenjiva veličina poruka Periodička ili događajem potaknuta razmjena poruka Tip komunikacije: jedan prema više, više prema više,

jedan prema zoni Relativno veliko područje interesa (0.5 km – 100 km) Manje strogi zahtjevi za kašnjenjem poruka (od 500 ms

na više)


Vrste aplikacija: Korisničke/komercijalne aplikacije

• Veliki broj komercijalnih aplikacija: Udaljena dijagnostika vozila Obavijesti o uslugama Razmjena informacija između putnika u vozilima Prijenos audio/video sadržaja između vozila Pristup internetu iz vozila Elektroničko plaćanje usluga (gorivo, hrana, ...) Zabavni sadržaji

• Komunikacijske karakteristike tipičnih aplikacija za upravljanje prometom: Razmjena veće količine sadržaja Korisnički potaknuta razmjena poruka Tip komunikacije: jedan prema jedan, jedan prema više Različiti zahtjevi za kašnjenjem poruka


Sadržaj








WAVE & DSRC – Temelj bežične komunikacije u prometu

• WAVE – Wireless Access for Vehicular Environment Definira set protokola koji ostvaruju bežičnu

komunikaciju u prometnom sustavu vozila

• DSRC - Dedicated Short-Range Communications Standard koji definira fizički sloj i sloj veze u WAVE

stogu protokola Nastao na osnovu 802.11a

standarda (WiFi) Modificiran u svrhu omogućavanja

komunikacije između čvorova koji se kreću velikom brzinom

Uspostavljanje veze: nekoliko ms Doseg: max. 600 m


VANET - Vrste komunikacije

• V2V (Vehicle to Vehicle) – direktna komunikacija između vozila na cesti

• V2I (Vehicle to Infrastructure) – komunikacija vozila s infrastrukturom

• V2P (Vehicle to Portable) – komunikacija vozila i prijenosnih uređaja

• Interakcija s postojećim tehnologijama

Copyright © CVIS


Sadržaj








Karakteristike prometa vozila

Brzina vozila• Analiza prometa na autocestama otkrila je da

brzina vozila prati normalnu distribuciju:

• Približne vrijednosti Srednja vrijednost: ograničenje brzine na cesti Standardna devijacija: 0.3*srednja vrijednost



Distribucija vozila na cestama• Analiziran je AADT (Annual Average Daily

Traffic) promet na 9 najduljih američkih autocesta: Istok-zapad: I-10, I-40, I-70, I-80, I-90 Sjever-jug: I-5, I-15, I-75, I-95

• Prosječni volumen prometa: 3964 vozila/sat

Podaci za analizu dobiveni od: U.S. Interstate Route Log and Finders List



Distribucija vozila na cestama• Analiza prometa na autocesti I-80 u Kaliforniji

pokazuje da su vozila na cesti raspoređena na osnovu Poissonove distribucije:

gdje je

Tv je volumen prometa u vozilima na sat, dok je V prosječna brzina


Udaljenost između uzastopnih vozila na autocesti• Budući da raspored vozila prati Poissonovu distribuciju,

udaljenost uzastopnih vozila prati eksponencijalnu distribuciju:

• Ukoliko postavimo Tv=1000 vozila/sat, vjerojatnost da je udaljenost između uzastopnih vozila manja od 600 metara je 99.99%


Sadržaj








Modeliranje ponašanja vozila/vozača

• Kako izgleda idealan model pokretljivosti?


Modeliranje ponašanja vozila/vozača

• Postoji veći broj predloženih modela za pokretljivost vozila: Cellular Automata (CA) model Car Following model The Random Waypoint model RandomWalk model Reference Point Group (Platoon) model Gauss-Markov model

• Trenutno, najveći broj kriterija realističnosti ispunjavaju CA model i Car Following model


Cellular Automata (CA) model – 1D

• Diskretni model za izračunavanje ponašanja Problemski prostor i vrijeme su diskretizirani

• Cesta je predstavljena nizom ćelija Svaka ćelija sadrži najviše jedno vozilo Pravila: Svako vozilo može biti u stanju mirovanja ili se

micati naprijed prema odredištu ako je ćelija ispred slobodna

19

t=0

t=1

t=2


• Postojanje križanja• Upravljanje prometom na križanju

Složenija pravila kretanja

• Princip kružnog toka Pretpostavka toka na križanjima da bi se

izbjegli sudari Vozila u toku imaju veći prioritet Različita distribucija vjerojatnosti

skretanja/prolaza Bitno: riješiti problem duge rotacije u toku i

nerealističnog zakrčenja Model horizontalno, par/vertikalno, nepar

• Inicijalni rezultati pokazuju da i u 2D raspored prati Poissonovu distribuciju

Cellular Automata (CA) model – 2D


Car Following model

• Vozilima je određena brzina na osnovu normalne distribucije

• Ukoliko je neometano, vozilo ubrzava i kreće se zadanom brzinom

• Ukoliko postoji vozilo ispred: Vozilo usporava na brzinu koja omogućava praćenje vozila

ispred Udaljenost praćenja se izračunava na osnovu formule:

S – udaljenost praćenja, V – brzina vozila, α – duljina vozila, β – vrijeme reakcije vozača, γ – 1/(2*maksimalna deceleracija)

• Na križanju: Ukoliko je cesta na koju skreće slobodna, vozilo skreće Ako nije, vozilo čeka dok se segment ne oslobodi


Sadržaj








Autocesta – modeliranje, snaga signala i doseg

• Signal se može adekvatno aproksimirati tzv. “two ray” modelom propagacije:

Dvije dominantne komponente: direktna komponenta i komponenta odbijena od ceste

U slučaju da postoji optička vidljivost između vozila, slabljenje signala se adekvatno modelira tzv. Rician slabljenjem (fading)

U slučaju da ne postoji optička vidljivost, dominantna komponenta ne postoji i signal se modelira tzv. Rayleigh slabljenjem


Grad – modeliranje, snaga signala i doseg

• Signal se može adekvatno aproksimirati tzv. “shadowing” modelom propagacije:

β – path loss exponent: od 2 (bez gubitka) do 6 (veliki gubitci)

X – normalna slučajna varijabla sa srednjom vrijednošću 0 i st. devijacijom σ: od 4 (male varijacije do 8).

Mijenjanjem vrijednosti β i X, mogu se adekvatno simulirati kompleksna gradska okruženja.


Sadržaj








Izvedivost unicast real-time aplikacija u VANET mrežama

• Cilj: odrediti koje će unicast real-time aplikacije biti izvedive u novom, VANET okruženju bez infrastrukture

• Real-time aplikacije zahtijevaju određenu garanciju kvalitete usluge (QoS – Quality of Service) da bi bile izvedive

• Najvažniji parametri za real-time aplikacije su: Kašnjenje (delay) Varijacija kašnjenja (jitter) Omjer primljenih poruka (PDR – Packet Delivery Ratio) Kapacitet

• U VANET mrežama, budući da ne garantiraju povezivost, još jedan parametar postaje važan Trajanje komunikacije (connection duration)


Definiranje gornje granice performansi u VANET mrežama

• Optimalan protokol usmjeravanja za VANET mreže još uvijek je vruća tema u VANET istraživačkim krugovima

• Ideja: kreirati realistično simulacijsko okruženje s idealnim protokolom usmjeravanja

• Idealan protokol usmjeravanja je jedino ostvariv u simulacijskom okruženju, budući tamo možemo koristiti globalno znanje simulatora

• Tako dizajnirano okruženje omogućava definiranje gornje granice performansi koje aplikacije mogu očekivati od VANET okruženja koje nije potpomognuto infrastrukturom


“Idealni” unicast protokol usmjeravanja za VANET mreže

• Garantira dostavu poruke preko svih postojećih putanja

• Odabire optimalnu putanju za svaku poruku Optimalna putanja: ona koja dostavlja poruku u

najkraćem roku

• Ne izaziva dodatno kašnjenje ni gubitak poruka

D

S


D

Putanja #1

Putanja #2

Putanja #3

S

• Garantira dostavu poruke preko svih postojećih putanja

• Odabire optimalnu putanju za svaku poruku Optimalna putanja: ona koja dostavlja poruku u najkraćem

roku

• Ne izaziva dodatno kašnjenje ni gubitak poruka

“Idealni” unicast protokol usmjeravanja za VANET mreže


“Idealni” protokol usmjeravanja vs. GPSR

• GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) – pozicijski protokol usmjeravanja u bežičnim mrežama

• Ogrome razlike u performansama Od 3.5 pri niskoj gustoći prometa, do 20 puta više

poruka dostavljenih pri visokoj gustoći prometa

• Rezultati pokazuju da postoji puno mjesta za napredak VANET usmjerivačkih protokola


Simulirana autocesta


Simulirano urbano okruženje


Rezultati


Zaključci – trajanje komunikacije i omjer primljenih poruka

• Trajanje komunikacije je direktno povezano s relativnom brzinom čvorova (vozila) Intuitivno, komunikacija traje dulje između čvorova koji

se kreću u istom smjeru

• Povećana gustoća prometa pozitivno djeluje na trajanje komunikacije Veći broj čvorova koji mogu prenijeti poruku do

odredišta

• Omjer primljenih poruka je direktno ovisan o gustoći prometa Osobito u urbanom okruženju, gdje nije garantirano da

će se pošiljatelj i primatelj naći na istom dijelu ceste


Zaključci – kašnjenje i varijacija kašnjenja

• U najboljem slučaju, kašnjenje se povećava linearno s udaljenošću Kašnjenje je veće u urbanom okruženju radi smanjenog

dosega signala, što implicira u prosjeku veći broj skokova do odredišta

Kašnjenje je u oba okruženja ispod 100 ms, što je dovoljno i za najzahtjevnije aplikacije

• Varijacija kašnjenja je veća u urbanom okruženju također radi smanjenog dosega Smanjen doseg -> više skokova -> veća varijacija Varijacija kašnjenja je većinom unutar 40 ms za oba

okruženja


Hvala!

• Pitanja?

Documents

Uloga bežičnih računalnih mreža u prometnom sustavu vozila Mate Boban Ovi materijali temelje se na radu koji je sufinancirala Nacionalna zaklada za znanost,