Efficient Resource Management for Intervehicle Safety Communication

Zusammenfassung Die Einführung von aktiven Sicherheitssystemen, basierend auf Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation, hat ein großes Potential, die immer noch hohe Zahl von Verletzten und tödlich Verunglückten deutlich zu reduzieren. Dabei werden die Fahrzeuge befähigt, regelmäßig und zusätzlich ereignisbasiert ihren Status anderen umliegenden Fahrzeugen mitzuteilen. In diesem Sinne wird die aktive Sicherheit für Fahrer und Insassen erhöht, weil jederzeit zuverlässige, hochaktuelle und sehr genaue Informationen zur Verfügung stehen. Derzeit werden die Protokolle und Mechanismen für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation in verschiedenen Gremien standardisiert. In Europa ist hierfür das European Telecommunications Standards Institute (ETSI) zuständig. Für die Applikationsschicht sieht ETSI vor, dass drei verschiedene Nachrichtentypen für den Broadcast zur Verfügung stehen: die periodischen Cooperative Awareness Messages (CAMs), ereignisbasierte Decentralized Environmental Notification Messages (DENMs) und dienstorientierte Service Announcement Messages (SAMs). Insbesondere die Kommunikationslast, die durch die periodischen CAMs entsteht, kann leicht dazu führen, dass der Kommunikationskanal in Überlast gerät. Dabei handelt es sich um das grundsätzlich bekannte Problem der Skalierbarkeit des Medienzugriffs in drahtlosen Netzen, die deutlich mehr als 100 Knoten beinhalten (siehe z.B. (21)). Typischerweise wird in der Literatur vorgeschlagen, das Problem über die Regelung einzelner, aber signifikanter Systemparameter anzugehen. Ziel der Regelung ist, dass anhand einer gewissen Metrik für die Kanallast eine gewisse Grenze nicht überschritten werden soll. Diese Grenze wird meist sehr niedrig gewählt, sodass überlappende Transmissionen, wie im Fall des bekannten Hidden Station Problems, proaktiv verhindert werden. Dies hat jedoch auch zur Konsequenz, dass viele Kommunikationsresourcen ungenutzt bleiben. In dieser Dissertation wird zunächst eine feingranularere Bewertung der verschiedenen Systemparameter vollzogen. Dabei liegt im Fokus, wie groß die Optimierungspotentiale sind. Außerdem werden wichtige Grenzen für die Optimierung aufgezeigt, welche durch Ergebnisse realer Experimente unterstützt werden. Ergebnis dieser Bewertung ist, dass nur ein hybrider Ansatz aus Einzelparameterregelung und einer schichtübergreifenden Koordinierung eine bessere Verwaltung der verfügbaren Ressourcen durchführen kann. In diesem Ansatz, genannt VANET Resource Management (VRM), wird die Rate der CAMs adaptiert, um grundsätzlich die Kanallast zu senken und dennoch immer eine akzeptable Genauigkeit der Aktualisierung der Information für die Applikationen zu gewährleisten. Zusätzlich wird ein Mechanismus zur Weiterleitung von CAMs eingeführt, der selektiv ausschließlich Nachrichten mit hoher Relevanz wiederholt, um einzelne Verluste auszugleichen. Um den Medienzugriff unter hoher Last besser zu regeln, wird die Grenze für die räumliche Wiederverwendung des Kommunikationskanals adaptiert. Dies geschieht auf Basis der sogenannten Clear Channel Assessment (CCA) Schwelle. Damit kann die Kommunikation innerhalb des sicherheitskritischen Gebiets (etwa 100 Meter Radius) sichergestellt werden. Die schichtübergreifende Koordinierung verwendet die mittlerweile bereits standardisierte Möglichkeit, allen Protokollschichten gewisse Steuerungskommandos mitzuteilen. VRM bezieht dabei Informationen über den Kanalzustand sowie über die aktuelle Straßenverkehrssituation. Auf Basis dieser Informationen sowie der Berücksichtung der Anforderungen einzelner Schichten und deren komplexenWechselwirkungen werden angemessene Koordinationseingriffe in den einzelnen Schichten situationsadaptiv ausgeführt. Da nachvollziehbares Verhalten eine wichtige Anforderung an Sicherheitssysteme ist, müssen auch die Konzepte von VRM leicht nachvollziehbar sein. Daher wird für die Koordination das Schema der Zustandsmaschine gewählt. Statt einer Optimierung aller Systemparameter zur gleichen Zeit koordiniert VRM die Einzelmechanismen durch generische Kommandos. In den einzelnen Schichten werden diese Kommandos dann in konkrete Sätze von anzuwendenden Parametern umgesetzt. Dies erfüllt ebenfalls die Anforderung der Nachvollziehbarkeit. Umfassende Simulationsstudien wurden im Rahmen dieser Dissertation durchgeführt, um das Konzept von VRM sowie die Einzelmechanismen in diversen großräumigen Verkehrsszenarien zu evaluieren. Darin konnte unter anderem gezeigt werden, dass VRM eine deutlich verbesserte Resourcennutzung erreicht, die direkt in einem deutlich verbesserten Wissen der Fahrzeuge über ihr Umfeld resultiert. Abstract Safety systems based on intervehicle communication aim at reducing fatalities and injuries in road traffic. Vehicles are enabled to exchange information on their status. Active safety for driver and passengers is meant to be improved through reliable, low delay communication of highly accurate information, in all the various road traffic conditions. Currently in Europe, standardization regarding Intelligent Transportation System (ITS) is carried out by European Telecommunications Standards Institute (ETSI) For the application protocol layer, ETSI foresees three message types for broadcast: Periodic Cooperative Awareness Messages (CAMs), event-driven Decentralized Environmental Notification Messages (DENMs) and Service Announcement Messages (SAMs). Especially the communication load generated by the periodic CAMs may easily lead to an overload of the communication channel. This is a known issue of scalability in medium access in wireless networks with many nodes (>> 100 nodes) (21). Common approaches proposed in the literature control single system parameters and aim at limiting the load to a certain threshold in order to avoid overlapping transmissions and thus prevent the well-known hidden station problem. This threshold is commonly set to a relatively low value, which leaves some resources unused. In this Ph.D. thesis, a more fine-grained exploitation of various system parameters is conducted. The author explores the optimization space and outlines important parameter limitations, which is confirmed by real-world experiments. As an outcome, a hybrid approach of single-parameter adaptation and cross-layer coordination is developed. The CAM generation rate is adapted to reduce the channel load while maintaining an acceptable position error. Forwarding of CAMs is employed selectively to repeat periodic messages with high importance. To manage the medium access under high load appropriately, the spatial reuse of the communication channel is adapted by adjusting the CCA threshold, especially for the safety-relevant area. The cross-layer management coordinates the single-layer mechanisms at application layer, facilities layer, and access layer. This coordination depends on the current channel condition as well as the road traffic situation. This so-called VANET Resource Management (VRM) considers requirements from different layers of the communication system as well as their inter-dependencies. To achieve manageable complexity by a lightweight design, VRM follows the model of a Finite State Transducer (FST). Instead of optimizing all parameters at the same time, VRM coordinates the singlelayer mechanisms which control small sets of input/output parameters. Thus, each approach has manageable complexity. Suitable examples for the application of the framework are proposed, evaluated and compared to existing approaches. The evaluation covers basic analyses of the constraints in wireless networks as well as road traffic. Real-world measurements underline the importance of an improved spatial reuse. Extensive simulation studies in large-scale scenarios are performed, covering isolated urban and high-speed highway traffic as well as mixed scenarios. Amongst others, it can be shown that VRM can achieve a more beneficial resource usage such that the awareness in the safety-critical area can be significantly improved.