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Lasowski, Robert (2012): Serviceorientiertes Mehrkanal-Beaconing in Fahrzeug-Ad-hoc-Netzen. Dissertation, LMU München: Faculty of Mathematics, Computer Science and Statistics
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Abstract

The interconnection of vehicles is an important topic concerning the enhancement of traffic safety and trffic efficiency. Therefore, vehicles exchange position and state information with each other to establish an awareness level for the calculation of collision probabilities with their neighbors. To recognize critical safety situations it is essential to receive information reliably. However, these systems are typically based on wireless ad-hoc networks that cannot guarantee reliable packet transmission. This is especially the case in situations where a high number of communication nodes exist. The aim of this work at hand is the definition of a beaconing algorithm that enables the establishment of a desired awareness level for critical safety situations especially in high density traffic scenarios. First, representative scenarios for collision detection and collision avoidance were specified and metrics for the evaluation of the beaconing algorithms were defined. Based on these metrics the performance of beaconing algorithms with different static periodical update rates was evaluated. It is presented that these kinds of beaconing algorithms cannot provide sfficient results with respect to the required constant information throughput in high density traffic situations. To provide a high awareness level for each vehicle in its individual situation in spite of an unreliable communication channel a service-oriented beaconing approach is dened in this work. It is based on a request/response communication scheme to compensate particular packet loss. Hereby, a broadcast and a unicast occurrence of the algorithm are defined accordingly to the corresponding representative scenarios. It is presented that the service-oriented beaconing approach provides a signicant benefit with respect to the information throughput for low and middle traffic density situations. However, in high density situations the benefit of this approach is decreasing due to the increased communication overhead. This is a result of using one single communication channel. To achieve a high awareness level also in high density trac situations, a signi- cant modification was defined. Therefore, the usage of multiple communication channels was introduced to distribute the communication load over several channels. It is specified to send all service responses on a dedicated service channel to reduce the load on the control channel where the service requests are transmitted. After an extensive evaluation of the multi-channel utilization in vehicle ad-hoc networks using IEEE 802.11p it is shown that the multi-channel version of the service-oriented beaconing approach can achieve significant benefits concerning the information throughput for the collision detection and collision avoidance scenarios even in high density traffic situations.

Abstract

Die Vernetzung von Fahrzeugen untereinander ist ein wichtiger Aspekt im Hinblick auf die Erh�ohung der Verkehrssicherheit und -effizienz. Daf�ur tauschen Fahrzeuge mit ihren Nachbarn Positions- und Zustandsinformationen aus, um eine Wissensbasis zur Berechnung von Kollisionswahrscheinlichkeiten aufzubauen. Um kritische Situationen erkennen zu können, ist es notwendig, Informationen zuverl�assig empfangen zu können. Allerdings werden zur Umsetzung derartiger Systeme typischerweise WLAN-basierte Ad-hoc-Netze verwendet, welche vor allem bei einer hohen Anzahl an Teilnehmern keine zuverlässige Übertragung von Nachrichten gewährleisten. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Beaconing-Algorithmus zu entwickeln, welcher es ermöglicht bei jeder Fahrzeugdichte die geforderte Wissensbasis zur Erkennung von sicherheitskritischen Situationen aufzubauen. Aufbauend auf der Spezifizierung der Situationen zur Kollisionserkennung und Kollisionsvermeidung und den damit definierten Metriken zur Beurteilung von Beaconing Algorithmen, wird zun�achst die Güte von Beaconing-Ansätzen mit unterschiedlichen statischen Beacon-Wiederholratn untersucht. Es wird gezeigt, dass dieser Ansatz die Anforderungen nach einem gleichbleibenden Informationsdurchsatz bei hohen Fahrzeugdichten nicht erfüllen kann. Um trotz der unzuverlässigen Nachrichtenübertragung den geforderten Informationsdurchsatz in Abhängigkeit der individuellen Situation eines jeden Fahrzeugs zu gew�ahrleisten, wird in dieser Arbeit ein serviceorientierter Beaconing-Ansatz eingeführt. Hierbei wird jeweils eine Variante für die entsprechende spezifizierte Situation definiert. Es wird gezeigt, dass der serviceorientierte Ansatz unter Nutzung von einem Kommunikationskanal bei niedrigen und mittleren Fahrzeugdichten eine Verbesserung des Informationsdurchsatzes erzielen kann. Bei hohen Fahrzeugdichten sinkt der Mehrwert allerdings aufgrund des hohen Nachrichtenaufkommens. Auf diesen Erkenntnissen wird eine Mehrkanal- Variante des Beaconing-Ansatzes vorgeschlagen. Hierbei sollen zur Serviceerbringung gesonderte Kan�ale genutzt werden, um die Kommunikationslast besser verteilen zu können. Nach einer ausgiebigen Evaluierung der Mehrkanalnutzung in Fahrzeuge-Ad-hoc-Netzen und unter Berücksichtigung der dabei existierenden Einschränkungen kann gezeigt werden, dass die Mehrkanal-Variante des serviceorientierten Beaconing-Ansatzes signifikante Verbesserungen für den Informationsdurchsatz sowohl in der Kollisionserkennungs- als auch Kollisionsvermeidungsphase über alle Fahrzeugdichten erzielen kann.