Protocol de comunicatie intre vehiculele aflate in trafic (V2V) – retea ad hoc pentru vehicule (VANET)
Figura 1 . Reprezentare grafica a protocolului protocolului de comunicatie V2V – V2R
Notiuni abstracte Lucrarea abordeaza tematica protocolului de comunicatie vehicul-vehicul, ce are ca principal scop avertizarea avertizarea soferului soferului in caz de coliziune coliziune iminenta cu un alt participant la trafic sau cu un elemen elementt aflat aflat in calea calea sa de rulare rulare.. vans vansul ul spectaculos din ultima perioada al tehnologiilor !ireless a facilitat dezvoltarea si perfectionarea sistem sistemelo elorr de comuni comunicat catie ie vehicu vehicull – vehicu vehicull "V2V "V2V – engl englez eza# a# sau sau vehi vehicu cull – indi indica cato toar aree rutiere "V2$ – engleza#. %data cu implementarea acestor noi tehnologii de prevenire si avertizare asupra unui impact iminent, este de asteptat ca numarul de accidente in trafic cu urmari fatale sa fie redus redus consid considera erabil bil.. &in punct punct de vedere vedere tehnic, tehnic, provocarea provocarea principal principalaa este reprezenta reprezentata ta de furn furniizare zareaa rap rapida "lat "laten enta ta scaz scazu uta# ta# a semnal semnalelo elorr de avert avertiza izare re in caz de urgent urgentaa in diverse situatii rutiere. La nivel international, anul 2'1( a reprezentat punctul de plecare pentru adoptarea unui unui plan plan de impl implem emen enta tare re a unui unui astf astfel el de
sistem de catre dministratia )ationala pentru *iguranta a +raficului de pe utostrazi din *. *e preconizeaza ca undeva in urul anului 2'2', vehiculel vehiculelee aflate aflate in trafic trafic vor putea comunica comunica intre intre ele pentru pentru a alerta alerta conduc conducato atorii rii auto auto in legatura cu pericolele iminente sau accidentele dea produse pe ruta aleasa. rimele generatii de sisteme de comunicatie V2V si V2R vor putea doar sa avertizeze soferul in cazul sesizarii unui pericol, insa nu vor putea sa si preia preia contro controlul lul asupra asupra masini masinii, i, sarcin sarcinaa evit evitar arii ii unui unui impa impact ct reve reveni nind nd sofe soferu rulu lui. i. Versiuni rsiunile le ulteri ulterioar oaree ale acest acestor or sistem sistemee vor permite controlul automat asupra masinii "cont "control rol asupra asupra coloan coloanei ei de direct directie, ie, contro controll asup asuprra fran franei ei si accel cceler eraatie tiei#, i#, fapt apt ce ar imbunatatii considerabil timpul de reactie in caz de perico pericoll si in acelas acelasii timp timp ar reprez reprezent entaa un prim pas catre dezvoltarea unor vehicule autonome.
1. ntro troduce ucere
$n intreaga lume, principala cauza de deces in randul populatiei este reprezentata de accidentele rutiere. cestea produc anual mai multe victime decat orice alt miloc de transport, intrecand chiar si orice boala fatala sau dezastru natural. *tudiile au demonstrat ca peste /'0 din accidentele rutiere ar putea fi evitate daca soferul ar fi avertizat cu cel putin o umatate de secunda inainte de impact. %peratorul uman prezinta limitari insemnate in ceea ce priveste analiza situatiilor de urgenta care in cele mai multe cazuri apar foarte rapid si necesita un timp de reactie etrem de mic. &aca acestea ar putea fi sesizate de catre sistemul digital de comunicatie intre vehicule, soferul ar putea fi alertat din timp iar deznodamantul unei situatii limita ar fi diferit. )otiunea de protocol de comunicatie vehicul-vehicul "V2V# cuprinde o retea de comunicatie !ireless in cadrul careia intre automobilele participante la trafic se realizeaza un schimb de informatii. $nformatiile transmise reflecta viteza de rulare, locatia, ruta aleasa, starea de decelerare "franare# si stabilitatea autovehicului. +ransmisia de date este asigurata prin intermediul comunicatiilor cu raza scurta de actiune "&*R – dedicated short range communications# asemanatoare celor 3$-F$ "una din frecventele utilizate este chiar cea de 4.567z#,cu o distanta maima de comunicatie de pana la 8'' de metrii, distant parcursa de catre un autovehicul ce ruleaza in regim de autostrada in circa 1' secunde. +ransmisia &*R este un standard infiintat de catre F "* Federal ommunications ommission#, $*% "$nternational %rganization for *tandardization# si $999 "$nstitute of 9lectrical and 9lectronics 9ngineers# – $999 :'2.11p. Retelele de comunicatie V2V vor fi proiectate sub forma unor retele de tip mesh, ceea ce va insemna ca fiecare nod "vehicul, indicator rutier inteligent, etc.# vor putea transmite, capta si retransmite semnale catre orice nod angrenat in retea. nalizarea informatiilor provenite de la nodurile aflate cu 4
sau chiar 1' pozitii in fata va produce o imagine de ansamblu asupra conditiilor de trafic ce se prefigureaza in urmatorul ;ilometru. cest fapt poate genera rapoarte de avertizare si indrumare ce nu pot fi ignorate nici macar de cel mai neatent sofer. % alta notiune adiacenta este cea de V2$, sau comunicatie vehicul – infrastructura rutiera "inteligenta#. cesata se refera la semne de trafic sau alte dispozitive indicatoare stationare cu care un vehicul aflat in miscare poate comunica. *istemul poate interpreta informatia receptionata de la infrastructura rutiera pentru a determina calea optima de rulare, viteza sau eventuale pericole. rimele versiuni de autovehicule integrate in acest sistem de comunicatie vor fi dotate doar cu sisteme de alertare a conducatorului auto sub forma unor lumini rosii amplasate in functie de tipul si marca autovehicolului condus "spre eemplu <=3 a introdus tehnologia heads-up displa>, prin care proiecteaza pe parbriz pictograme ce indica viteza, conditiile de drum, limita de viteza – aceasta poate fi adaptata pentru a afisa semnale de atentionare de culoare rosie de tip
Figura 2. +ehnologia 7eads-up &ispla> <=3 ele mai multe prototipuri au avansat insa la stadiul in care sistemul de comunicatie intervine in procesul de conducere a unui autovehicul, actionand automat frana si chiar si coloana de directie pentru a evita un obstacol. ceste
prototipuri, desi aflate intr-un stadiu de dezvoltare incipient, au rolul de a demonstra publicului larg utilitatea acestor sisteme. 9ste cunoscuta reticenta maoritatii oamenilor in ceea ce priveste automatizarea procesului de conducere a autovehiculelor, uneori indreptatita, alteori din pura mandrie, insa noile demonstratii au rolul de a lansa o campanie de mar;eting pentru a demonstra beneficiile si siguranta oferita de un astfel de sistem de comunicatie intre vehicule. &iscutia generata de problematica implementarii unui astfel de sistem pare a se indrepta catre un alt concept propus recent si anume @$nternet of thingsA "$nternetul obiectelor#. $n acest sens, au aparut termeni precum @internetul autovehiculelorA sau @autovehicule conectateA, termeni ce definesc ideea unei masini inteligente, autonome.
2. !erinte de implementare onsiderand o situatie clasica intalnita in trafic si anume un grup de trei masini circuland in coloana pe o bucata de drum, cu viteze egale si cu o distanta regulamentara intre ele, putem incepe sa tratam problematica implementarii unui astfel de sistem de comunicatie. entru simplitate, vom numi cele trei masini generic @A, @
onform scenariului enuntat anterior, o masina ce se deplaseaza in regim de autostrada cu o viteza de 18';mCh, va parcurge circa 8'mCs. $n acest caz, daca soferul initiaza o manevra de urgenta "franare, virare brusca, defectiune mecanica maora etc.#, sistemul V2V trebuie sa atribuie respectivului autovehicul eticheta de @vehicul cu avarieA "V#. %data de sistemul sesizeaza prezenta unui V, sunt generate si transmise =essage de tentionare in caz de rgenta "93=# ce contin locatia, viteza si directia de deplasare a vehiculului in cauza, catre toate vehiculele aflate in raza de actiune a sistemului. $nsa mobilitatea crescuta a vehiculelor poate determina intr-o situatie de urgenta schimbarea rapida si repetata atat a vehiculelor V cat si a celor receptoare de 93=. Luand in considerare viteza de deplasare a vehiculelor, putem sa determinam intr-un mod grosier ca timpul necesar de raspuns al sistemului trebuie sa fie de ordinul milisecundelor.
Figura 8. Vehiculele aflate in imediata apropiere a celui V vor primi mesae 93= – acestea la rnadul lor pot deveni vehicule V pentru cele aflate in proimitate 2.2 Perturbatii ce afectea#a comunicatia
alitatea legaturilor de comunicatie din sistemul !ireless V2V poate fi afectata in mod serios de o serie de factori precumD atenuarea semnalului cauza de factori de mediu de transmisie sau obstacole sau efectul &oppler – cauzat de viteza de deplasare a vehiculelor. 2.% &ana$emetul vehiculelor aflate simultan in starea AV
$n cazul unei situatii de urgenta, se atribuie unui vehicul starea de V, stare ce trebuie mentinuta pana la remedierea situatiei. *pre eemplu, un vehicul se afla imobilizat pe partea dreapta a carosabilului din cauza unei defectiuni tehnice. $n acest caz, sistemul ii atribuie
vehiculului eticheta de V, semnalizand tuturor vehiculelor ce tranziteaza zona un mesae 93= in legatura cu locatia vehiculului in cauza. *istemul trebuie insa sa fie capabil sa gestioneze si situatiile in care pot sa apara mai multe vehicule etichetate V si sa prioritizeze emiterea de mesae 93= catre ceilalti participanti la trafic in functie de proimitatea fata de un V, timpul de coliziune estimat si viteza de rulare. 2.' iferentierea situatiilor de ur$enta
*ituatiile de urgenta cauzate de vehicule etichetate V trebuie interpretate de catre sistem atat individual, cat si colectiv prin analizarea unei imagini de ansamblu ce cuprinde intregul scenariu rutier "atat vehiculele aflate in imediata apropiere, cat si cele aflate la limita distante de comunicare#.
Lucrarile de cercetare anterioare sugereaza trei aspecte ce trebuie luate in calcul pentru implementarea unui protocol de comunicatie V2VD - controlul mediului de accesE - controlul transmiterii mesaelorE - managementul de grup. &in punctul de vedere al controlului asupra mediului de acces, s-a propus utilizarea unui protocol de comunicatie !ireless de tip to;en ring "3+R# in care toti participatii la trafic formau un grup, procesul de conducere derulandu-se colectiv. +ehnologia 3+R este un protocol = construit pe baza unei abordari distribuite, fapt ce ii confera robustete in cazul aparitiei unei defectiuni pe un nod precum si suport pentru topologii fleibile. cest tip de protocol garanteaza o* "ualit> of *ervice# timpi de intarziere minimi si o banda de transmisie rezervata permanent, elemente cruciale intro aplicatie de timp real.
Figura 4. &iagrama de timp 3+R
Figura (. &iferentierea situatiilor de urgenta &upa cum putem observa in figura 8, vehiculul pierde controlul asupra directiei de deplasare si devine etichetat V. $mediat, sistemul de comunicatie V2V analizeaza situatia si decide sa transmita in prima instanta un semnal 93= catre masinile )1 si )8 afate in imediata apropiere. &e asemenea, sunt analizate traiectoria, viteza si locatia vehicului )4 in functie de cele ale vehiculului V insa sistemul determina ca nu eista nici un risc pentru acesta. ceasta analiza este valabila si pentru celelalte vehicule )2, )(, )/, )B si ):, urmand ca, la momentele de timp viitoare "urmatorul ciclu de analiza efectuat in decurs de cateva milisecunde# sa se reanalizeze situatia, iar in caz de nevoie sa fie emise alerte 93= si catre acestea.
%. &etode de implementare
fost de asemenea propus si un protocol de tip R-L%7 pentru divizarea resurselor de transmisie pe intervale de timp fie "sloturi#. )u in ultimul rand, s-a luat in considerare utilizatea unui protocol de comunicatie de tip broadcast vehicul – vehicul bazat pe locatie. $n acest caz, fiecare vehicul transmite mesae de tip 93= intr-un ritm constant. robabilitatea optima de transmisie la nivel de = pentru fiecare mesae este identificata pentru a reduce probabilitatea de coliziune a pachetelor de date.
&in punct transmiterii
de vedere mesaelor,
al controlului se doreste
transmiterea mesaelor de atentionare 93= si catre vehicule aflate in afara razei de propagare a acestora. $n acest sens, a fost propus un protocol multi-hop de difuzare a mesaelor bazat pe rezervarea in sloturi a adreselor =. Lunad in considerare faptul ca nu toate vehiculele sunt dotate cu transceivere !ireless s-a dezvoltat si protocolul de comunicatie intre vehicule si indicatoarele rutiere inteligente "V2$# cu scopul de a semnala tuturor participantilor la trafic situatiile de urgenta. n alt aspect importan il reprezinta studiul efectului vitezei de deplasare a vehiculelor asupra transmiterii mesaelor. $n acest sens, se afla in discutie doua protocoale ce au ca scop minimizarea numarului de mesae emise. $n concluzie, protocoalele de tip = coordoneaza accesul la canalele de comunicatie dintre vehiculele aflate in traficE mecanismele multi-hop de transmitere a mesaelor etind raza de transmitere a acestora pentru a largi spectrul receptorilor "participanti la trafic# si nu in ultimul rand, protocoalele de management de grup definesc grupuri de participanti la trafic ce impart acelasi interes comun "ruta, incidente rutiere, probleme mecanice etc.#.
'. Protocol de routare in cadrul retelelor VANET pe ba#a po#itiei vehiculului roiectele recente de cercetare in domeniul ideii de comunicatie intre vehicule s-au aat pe subiectul retelelor V)9+. rovocarile principale pentru rutarea unei astfel de retele V)9+ sunt reprezentate de dificultatile intampinate la partitionarea retelei, caracteristicile variate "cu un spectru larg si in anumite cazuri redundante# ale mediului urban "orasul#, precum si necesitatea asigurarii unei mobilitati ridicate.
entru a depasi aceste provocari, solutia recomandata este protocolul de rutare bazat pe pozitia vehiculului. $n acest mod, sunt satisfacute cerintele de dinamica si mobilitate ale retelei. Retele de comunciatie V)9+ sunt retele auto-organizate, ce permit vehiculelor sa comunice intre ele, fara a fi necesara o infrastructura specifica. cestea sunt conforme cu standardul de comunicatie !ireles $999 :'2.11p, ce defineste norme de siguranta pentru circulatia vehiculelor si alte aplicatii de trafic. omisia Federala de omunicatii "F# a alocat o latime de banda de B4=7z, la o frecventa de 4.567z pentru comunicatiile de raza scurta intre vehicule "V2V# sau cele intre vehicule si infrastrucuta "V2$# – definite anterior. Retelele V)9+ utilizeaza comunicatie pe raza scurta &*R "1'''m# atat pentru V2V cat si pentru V2$. *copul retelelor V)9+ este de a forma, analiza, diria si a asigura un sistem de transport inteligent "$+*#. '.1 Arhitectura VANET
$n cadrul retelelor V)9+, fluul de informatii poate fi difuzat, colectat si analizat prin intermediul infrastructurii eistente, prin utilizarea retelelor ad hoc sau prin combinarea celor doua tehnici. lasificarea retelelor V)9+D Retele strict celulareE Retele strict ad hocE Retele ad hoc hibride. Retelele strict celulare sunt destinate fluului de date genetat de partea de infotainment – navigare !eb, informatii de presa, informatii de trafic, informatii de vreme, do!nload, navigare !eb etc. cest tip de retele mai poarta si denumirea de 3L) insa au dezavantaul maor de a depinde de eistenta infrastructurii fie.
Figura /. Retea strict celulara Limitarile acestui tip de retea pot fi depasite prin utilizarea unei retele de tip strict ad hoc, bazata eclusiv pe comunicatie intre vehicule. Raza limitata de transmisie si mobilitatea ridicata cauzeaza schimbari rapide de topologie in retea, fapt ce poate cauza erori de routare precum si probleme de partitionare.
Figura :. Retea ad hoc hibrida % serie de studii descrise in G2H, demonstrat valoarea factorului de atenuare ratei de transmisie a datelor in functie distanta si obstacole. cesta este prezentat tabelul 1.
au al de in
+abelul 1. Factor de atenuare al ratei de transmiie a datelor lgoritmul pentru determinarea cailor optime de transport este tratat intr-un mod detaliat in G2H. '.2 !lasificarea protocoalelor ba#ate pe po#itie
Figura B. Retea strict ad hoc entru a beneficia de avantaele ambelor tipuri de retele, s-a propus utilizarea un retele ad hoc hibride, ce combina cele doua tipuri de retele anterior prezentate.
de
rutare
rotocoalele de rutare bazate pe pozitie utilizeaza pozitia geografica a acestora ori de cate ori nodul sursa comunica cu nodul destinatie, calea dintre cele doua fiind stabilita prin 6* sau alte servicii de localizare. tunci cand nodul sursa transmite un pachet de date catre un nod receptor, se stabileste calea fluului de date in functie de locatia celor doua, si de distanta dintre acestea "se verifica daca nodul sursa si nodul destinatie se afla in raza de transmisie#. )odul sursa transmite mesaul catre nodul vecin aflat in raza de transmisie, care la randul sau paseaza mesaul catre nodul vecin pana la atingerea nodului destinatie.
$n protocoalele de rutare bazate pe pozitie, ignorarea informatiilor legate de fluul de trafic poate degrada performanetele de transmisie a mesaelor prin accesarea unor noduri redundante, fapt ce conduce la intarzieri ce pot avea urmari grave in trafic. '.% P*+ – +outin$
reed,
Perimeter
*tateless
Lucrarile de cercetare asupra 6*R definesc procedura de rutare ca fiind bazata pe pozitia vehiculului, determinata cu autorul 6*-ului "6lobal ositioning *>stem#. ozitia nodului vecin este determinata printr-un semnal de recunoastere cu raza scurta de transmisie provenit de la emitator. cesta din urma poate determina informatii legate de distanta pe care il separa de nodul vecin "vehiculul vecin#, precum si viteza acestuia sau directia de deplasare. 6*R functioneaza in doua etapeD
pentru pachetele de date in conformitate cu regula mainii drepte.
6reed> For!arding – in aceasta etapa pachetul de date este trimis catre nodul destinatie cel mai apropiat. $n cazul in care nu este gasit nici un nod vecin in perimetrul de transmisie se trece la etapa a doua.
Figura 5. 6reed> For!arding *e poate observa din figura 5 cum nodul *ursa * trimite pachetul de date catre nodul ce mai apropiat de destinatia &, anume nodul <. erimeter For!arding – in aceasta etapa transmisia pachetului se realizeaza dupa regula mainii drepte, incercandu-se din nou determinarea rutei catre nodul destinatie &. $n figura urmatoare se arata perimetrul strategiei de epediere in care nodul nu poate gasi nodul destinatie & si sunt efectuate manevre de recuperare a caii de parcurgere
Figura 1'. *trategii de redresare 6*R '.' Protocoale de rutare ba#ate pe anali#a flu-ului de trafic pentru retele VANET (T/+)
+F%R este un protocol de rutare destinat unui scenariu ce include eistenta unui sistem inteligent de gestiune si control al traficului atat din mediul urban cat si din cel rural. $n cadrul acestui protocol, liniile de transmisie sunt asemanate drumurilor bidirectionale cu mai multe benzi. rin intermediul unor algoritmi specifici descrisi in G1H,G2H si G8H, se determina ce intersectii trebuie degrevate de trafic respectiv ce intersectii pot suporta trafic suplimentar. cest protocol utilizeaza informatii in timp real din satelit pentru determinarea fluului de trafic. *e creaza astfel celule de trafic cu destinatie "sau cale de rulare# partial comuna in functie de valorile de flu receptionate. elulele de trafic sunt conduse de un lider "un vehicul aflat in centrul celulei# care genereaza permanent semnale ce contin informatii despre numarul de vehicule ce se deplaseaza in cadrul celulei catre destinatie, numarul de vehicule detectate ce se deplaseaza in sens invers celulei, un id al rutei, un id al celului precum si coordonatele celulei.
*i in cadrul acestei metode sunt prezente tehnici de recuperare a cailor optime de rulare catre destinatie "carr>-and-for!ard techniIue#.
+abel 2 – omparatie intre protocoalele de rutare din cadrul retelelor V)9+
0. !onclu#ii 9ista numeroase protocoale de rutare destinate retelelor V)9+, fiecare avand performatele si deficientele specifice. *tudiile matematice realizate in G1H si in G2H, indica fezabilitatea si utilitatea implementarii in viitorul nu foarte indepartat a unor astfel de sisteme inteligente, menite sa optimizeze fluul de trafic in mediul urban si etra-urban. cest subiect reprezinta o directie de cercetare ce va avea o aplicabilitate maorata in viitorul apropiat, fiind parte a unor proiecte de avengura precum J*mart it>K sau J$nternet of +hingsK.
+eferences G1H
vehicle to vehicle communication protocol for cooperative collision !arning, ue Mang, Nie Liu, Feng Ohao – niversit> of $llinois
G2H
Noint Vehicle-VehicleCVehicle-Roadside ommunication rotocol for 7igh!a> +raffic *afet>,
G8H
7>brid vehicular communications based o V2V-V2$ protocol s!itching – nna maria Vegni, +homas &.. Little – niversit> of Roma, Rome, $tal>E ,
G(H
osition 9nvironment in V)9+s, Mas; atel, 6uarat +ehnological niversit>
