uloga bežičnih računalnih mreža u prometnom sustavu vozila mate boban ovi materijali temelje se...
TRANSCRIPT
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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.
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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)
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Karakteristike prometa vozila
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Karakteristike prometa vozila
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
Karakteristike prometa vozila
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%
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Modeliranje ponašanja vozila/vozača
• Kako izgleda idealan model pokretljivosti?
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
• 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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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.
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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)
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
“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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
“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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Simulirana autocesta
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Simulirano urbano okruženje
Copyright © Mate Boban ([email protected])
Rezultati
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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
Copyright © Mate Boban ([email protected])
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