Comunicações sem fios confiáveis para aplicações veiculares

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaIn the last decades the number of vehicles travelling in European road has raised significantly. Unfortunately, this brought a very high number of road accidents and consequently various injuries and fatalities. Even after the introduction of passive safety systems, such as seat belts, airbags, and some active safety systems, such as electronic brake system (ABS) and electronic stabilization (ESP), the number of accidents is still too high. Approximately eight per cent of the fatal accidents occur in motorways, in the Portuguese case, the number of fatalities has remained constant in the first decade of the 21st century. The evolution of wireless communications, along with the north-American and European policies that reserve spectrum near the 5,9GHz band for safety applications in the vehicular environment, has lead to the development of several standards. Many of these applications are based on the possibility of using a wireless communication system to warn drivers and passengers of events occurring on the road that can put at risk their own safety. Some examples of safety applications are the hard-brake warning, the wrong-way warning and the accident warning. This work aims to contribute in defining a communication protocol that guarantees the timely dissemination of safety critical events, occurring in scenarios with a high number of vehicles or in the neighbourhood of so called motorway “blackspots”, to all vehicles in the zone of interest. To ensure information integrity and user trust, the proposed system is based on the motorway infrastructure, which will validate all events reported by the vehicles with the usage of several means, such as video surveillance or other sensors. The usage of motorway infrastructure that has full motorway coverage using fixed stations also known as road side units, allows to have a global vision of the interest zone, avoiding the problems associated to networks that depend solely on vehicle to vehicle communication, generally total ad-hoc networks. By using the infrastructure, it is possible to control medium access, avoiding possible badly intended intrusions and also avoiding the phenomenon known as alarm showers or broadcast storm that occur when all vehicles want to simultaneously access the medium to warn others of a safety event. The thesis presented in this document is that it is possible to guarantee in time information about safety events, using an architecture where the road side units are coordinated among themselves, and communicate with on board units (in vehicles) that dynamically register and deregister from the system. An exhaustive and systematic state of the art of safety applications and related research projects is done, followed by a study on the available wireless communications standards that are able to support them. The set of standards IEEE802.11p and ETSI-G5 was created for this purpose and is found to be the more adequate, but care is taken to define a scenario where WAVE enabled and non-enabled vehicles can coexist. The WAVE medium access control protocol suffers from collision problems that do not guarantee a bounded delay, therefore a new protocol (V-FTT) is proposed, based on the adaptation of the Flexible Time Triggered protocol to the vehicular field. A theoretical analysis of the V-FTT applied to WAVE and ETSI-G5 is done, including quantifying a real scenario based on the A5 motorway from Lisbon to Cascais, one of the busiest Portuguese motorways. We conclude the V-FTT protocol is feasible and guarantees a bounded delay.Nas últimas décadas tem-se assistido a um aumento do número de veículos a circular nas vias rodoviárias europeias, trazendo consigo um elevado número de acidentes e como consequência muitos feridos e vítimas mortais. Apesar da introdução de sistemas de segurança passivos, tais como cintos de segurança, airbags e de alguns sistemas de segurança activos, tais como o sistema electrónico de travagem (ABS) e o sistema electrónico de estabilidade (ESP), o número de acidentes continua a ser demasiado elevado. Aproximadamente oito por cento dos acidentes fatais na Europa ocorrem em auto-estradas, no caso Português, o número de vítimas mortais tem-se mantido constante ao longo da primeira década do século XXI. A evolução das comunicações sem fios, acompanhada de políticas europeias e norte-americanas no sentido de reservar frequências próximas dos 5,9GHz para aplicações de segurança no ambiente veicular, levou à especificação de várias normas. A maior parte destas aplicações baseiam-se na possibilidade de usar um sistema confiável de comunicação sem fios para alertar os condutores e passageiros de veículos para eventos ocorridos nas estradas que possam colocar em risco a sua segurança. Exemplos de aplicações de segurança crítica são o aviso de travagem brusca, o aviso de veículo em contra mão e o aviso de acidente na estrada. Este trabalho contribui para a definição de protocolos de comunicação capazes de garantir que a informação sobre eventos relacionados com situações de segurança crítica, que ocorram em cenários com um elevado número de veículos em zonas urbanas ou na vizinhança dos chamados “pontos negros” das auto-estradas, é disseminada com pontualidade por todos os veículos localizados na zona de interesse Por uma questão da integridade das comunicações e confiança dos condutores, o sistema proposto baseia-se na infra-estrutura do concessionário da auto-estrada, que validará os eventos reportados pelos veículos usando vários meios à sua disposição, como por exemplo sistemas de videovigilância e outros sensores. O uso de uma infra-estrutura de comunicações, que dispõe de cobertura integral a partir de estações fixas, permite uma visão global da zona coberta, evitando os problemas associados a redes baseadas apenas na comunicação entre veículos, que são em geral totalmente ad-hoc. O uso da infra-estrutura permite, entre outras vantagens, controlar o acesso ao meio, evitando simultaneamente intrusões de estranhos ao sistema e o fenómeno conhecido como “chuva de alarmes” desencadeado quando todos os veículos querem aceder simultaneamente ao meio para avisar os restantes da existência dum evento de segurança crítica. A tese apresentada neste documento defende que é possível garantir informação atempada sobre eventos que põem em risco a segurança dos veículos a partir de uma arquitectura de interligação entre as estações de comunicações fixas, coordenadas entre si, e unidades móveis (veículos) que se registam e se desligam dinamicamente do sistema. Nesta tese faz-se um levantamento exaustivo e sistemático das aplicações de segurança abordando projectos de investigação relacionados, estudam-se as tecnologias de comunicação sem fios disponíveis e a sua possibilidade de suportar aplicações de segurança rodoviária. Desta análise, conclui-se que a norma norte americana WAVE/IEEE802.11p e a europeia ETSI-G5, criadas especificamente para o efeito são as que mais se adequam à finalidade desejada. Considera-se que o cenário de utilização é evolutivo, podendo coexistirem veículos que não dispõem de sistemas de comunicação com outros que suportam a norma WAVE. Dado que o protocolo de acesso ao meio proposto pela norma WAVE não garante um acesso determinístico ao meio partilhado, propõe-se um novo protocolo, o Vehicular Flexible Time-Triggered protocol (VFTT). Faz-se a análise teórica da viabilidade do protocolo proposto para a norma WAVE e respectiva norma europeia (ETSI-G5). Quantifica-se o protocolo VFTT para um cenário real: a auto-estrada A5 Lisboa-Cascais, uma das autoestradas portuguesas mais movimentadas. Conclui-se que o protocolo é viável e garante um atraso restringido temporalmente

Cooperative Traffic Control Solution for Vehicle Transition from Autonomous to Manual Mode exploiting Cellular Vehicle-to-Everything (C-V2X) Technology

Nowadays, automated vehicles represent a promising technology to face the stringent requirements for safety and traffic efficiency in the automotive environment. Driving responsibilities will be gradually addressed to the machine, and the role of human pilots will be progressively reduced to passengers. The interaction between passengers and the automated system will create different risks that have not been considered in the past. In particular, the transition between autonomous and manual mode is understood as a risky situation. During the transition, the driver manifests driving irregularities and loss of situation awareness that may endanger himself and other participants on the road. Hence, the vehicle transitioning needs a higher quantity of space around it to be considered safe. However, no effective solution has been developed yet. This thesis aims to design a cooperative traffic control solution that will manage the movements of the group of vehicles to increase the free space around the one transitioning. It will exploit another tool that will play a fundamental role in the future of the automotive industry: connected vehicles technology. C-V2X technology will create a medium for vehicles to exchange information and cooperate. A controller managing the cooperation between vehicles has been developed to help a smooth and safe vehicle repositioning. The controller will be positioned in a centralized computing facility and it will communicate with all the vehicles. The controller defines rules to move vehicles together and enlarge the free space around the vehicle transitioning without collisions. The rules are modeled by a spring-mass-damper system, that can be exploited to control the longitudinal behavior of automated vehicles. In particular, the spring-mass-damper system can manage smooth migration between vehicle dispositions without oscillations. A computer simulation is used to test the performance of the proposed traffic control system. The simulation environment is constituted by three main components: traffic flow, controller and communication network. It has been tested with the software VEINS, which provides interaction between a network simulator (OMNeT++) and a traffic simulator (SUMO). The traffic flow represents the interactions between vehicles. The controller analyzes the data and sends control messages to all vehicles. The communication network will share the data concerning vehicles’ position and speed and control messages. The proposed cooperative vehicle control system demonstrated to reduce the risks of the transition with the smooth motion of vehicles. The controller is able to achieve the safety requirements without reducing the level of comfortability of vehicles’ passengers