On the end-to-end delay analysis for an IEEE 802.11P/WAVE protocol

The use of IEEE 802.11p for supporting intelligent transportation systems (ITS) allows a wide spectrum of applications providing vehicle occupants useful information related to public safety and road efficiency. The Wireless Access for Vehicular Environment (WAVE) standard is specifically tailored for delivering safety and multimedia messages in a highly dynamic vehicular communication environment. Such dynamic characteristics along with the delay critical nature of safety services turn the medium access control protocol (MAC) timings very important. Therefore, it becomes of great interest to analyze a major performance metric, the end-to-end delay.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Controlo de acesso ao meio em comunicações veiculares de tempo-real

Despite several preventive measures, the number of roadway accidents is still very high, being considered even a problem of public health by some entities. This thesis has as global purpose of contributing to the reduction of that number of accidents, and consequent fatalities, by using safety-related applications that use communication among vehicles. In particular, the primary goal is guaranteeing that communication between users in vehicular environments is done with appropriate time bounds to transfer safety-critical information. In detail, it is studied how to manage the scheduling of message’s transmissions (medium access control - MAC), in order to define precisely who will communicate and when is the appropriate instant. The preferable situation where a communication infrastructure is present with full coverage (RSUs) is also studied, from which medium access control is defined precisely, and vehicles (OBUs) become aware of medium utilization. Also, sporadic situations (e.g., absence of RSUs) are studied in which the communication network is “ad hoc” and solely formed by the current vehicles. It is used the recently WAVE / IEEE 802.11p standard, specific for vehicular communications, and it is proposed a TDMA based solution, with appropriate coordination between RSUs in order to effectively disseminate a critical safety event. It is taken into account two different ways of choosing the instant for the initial broadcast, and both cases are compared. In case there is no infrastructure available, methods are derived to minimize communication medium access collisions, and to maximize the available bandwidth. The results reflect the total end-to-end delay, and show that adequate times are attained, and meet with the requisites for the type of applications being considered. Also, enhancements are obtained when using the alternate choice for the initial broadcast instant.Apesar de diversas medidas preventivas, o número de acidentes rodoviários continua a ser muito elevado, sendo mesmo considerado uma questão de saúde pública por algumas entidades. Esta tese tem como objetivo geral contribuir para a redução desse número de acidentes, e consequentes fatalidades, através da utilização de aplicações de segurança que envolvem comunicação entre veículos. Em particular, o objetivo principal é garantir que a comunicação entre utentes, em ambientes veiculares, seja efetuada com limites temporais apropriados à transferência de informações críticas. De forma mais detalhada, é estudada a gestão do escalonamento das transmissões (controlo de acesso ao meio – MAC) que irá definir quem vai comunicar e quando o pode fazer. São estudadas situações (desejadas) onde há uma infra-estrutura de comunicações com cobertura integral (RSUs), a partir da qual se faz a coordenação do acesso ao meio pelos veículos (OBUs), e situações (esporádicas, por ausência de RSU) em que a rede de comunicação é “ad hoc” e apenas constituída pelos veículos presentes. Utiliza-se a recente norma WAVE / IEEE 802.11p, específica para comunicações veiculares, e propõe-se uma solução baseada em TDMA, com coordenação apropriada entre RSUs para disseminação efetiva de um evento crítico de segurança. A escolha do instante para o broadcast inicial do evento de segurança também é tida em conta, e são comparados dois casos distintos. No caso da ausência de infraestrutura, derivam-se métodos para minimizar colisões no acesso ao meio de comunicação, e maximizar a largura de banda disponível. Os resultados refletem o atraso total end-to-end, mostrando tempos apropriados para os requisitos das aplicações em causa, e evidenciando melhorias aquando da escolha alternativa para o instante do broadcast inicial.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

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