Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27)

Infokommunikáció a közlekedésben (VITMJV27) Vidács Attila Távközlési és Médiainformatikai Tsz. I.B.228, T:19-25, vidacs@tmit.bme.hu

Tartalom - 11/03/22 Járművek közötti (V2V) kommunikáció (folyt.) Közlekedési (ITS) alkalmazási területek Forgalmi információ terjesztése SODAD/SOTIS publish/subscribe VITP SPACE Balesetmegelőzés Naív/IBIA ODAM 2

Közlekedési alkalmazási területek ITS = Intelligent Transportation Systems Balesetmegelőzés, közlekedésbiztonság Cél: elsődlegesen emberi élet védelme! Autópályák álló vagy lassan mozgó járművekkel ütközés Kereszteződések elsőbbség hiánya, piros lámpák nem betartása Forgalommenedzsment Cél: torlódások elkerülése, utazási idő csökkentése, torlódásból eredő balesetek elkerülése. Forgalom monitorozás pl: dugófigyelés Lámpák ütemezése Megkülönböztető jelzésű járművek áthaladása

Közlekedési alkalmazási területek (folyt.) Forgalom koordináció és segítés Konvojok formálása (pl. autópálya kapacitás növelése) Sávváltás, előzés támogatása Utazó információs szolgáltatások Helyi információk pl. térképek, közeli benzinkutak, parkolási lehetőségek, múzeum nyitva tartás, Útmenti figyelmeztetések pl. jeges útszakasz, bukkanók, útfelbontások Komfort alkalmazások Utasok közötti kommunikáció pl. azonnali üzenetküldés, beszélgetés két autó között Parkolási- és útdíjak fizetése Adatok rögzítése karbantartás segítésére (szervíz)

Közlekedési alkalmazások Két vizsgált alkalmazási terület: Forgalmi információk terjesztése Balesetmegelőzés Információterjesztés taxonómia:

Forgalmi információ terjesztés Feladat: forgalmi információ terjesztése infrastruktúra nélküli, többugrásos V2V hálózatokban (MANET) Az elárasztás (flooding) látszik a legalkalmasabbnak, de az üzenetküldések nagy része fölösleges, terheli a rendszert; megbízhatatlan: ez itt szerencsére nem kritikus. Javaslat: korlátozott elárasztás Időbeli: Az üzenetküldések közti idő változtatásával Csökkentése az info gyors terjedését eredményezi, viszont nagyobb sávszélesség pazarláshoz vezet. Növelésével csökken a terhelés mértéke, viszont nő az info terjedési ideje és csökken a kommunikáció sikeressége. Példa: SODAD/SOTIS (ld. köv. dia) Térbeli: a terjesztési területet próbálja optimalizálni Olyan helyekre terjesszük az információt, ahol valóban igény van rá Példa: publish/subsribe, VITP, SPACE 7

Forgalmi információ terjesztés: SODAD SODAD Segment-Oriented Data Abstraction and Dissemination (szegmens-alapú adat absztrakció és továbbítás) Forgalmi információ tipikus tulajdonságai: van térbeli komponense; Tipikusan egy helyzetet/állapotot ír le egy adott helyen. fontossága a távolsággal csökken. Pl. Benzinkút 5 km-en belül / 200 km-re innen. Pl. Jeges útszakasz a kanyar után / a Brenner-hágón. Feltétel: digitális térkép az autóban Az objektumok (pl. utak) szegmensekre osztva, minden szegmens egyedi azonosítóval (segment ID) rendelkezik. Pl. Út száma + szegmens száma + irány

Forgalmi információ terjesztés: SODAD

Forgalmi információ terjesztés: SODAD Minden jármű frissített adatot generál minden, rádiós sugarán belüli szegmenshez információ direkt megfigyelésével/érzékelésével, vagy más járműtől kapott adatokra alapozva, az adatokat összegezve (aggregate), az aktuális időbélyeggel ellátva. Az (szegmensadat, időbélyeg) párost kell csak terjeszteni. Pl. adaptív üzenetszórással: SOTIS Az információterjesztés két alapelve: 1. Helyi üzenetszórás (1-hop) nincs direkt címzés, nincs routing! 2. Alkalmazás szintű tárold és add tovább elv Az alkalmazás felelős az információ továbbításáért. Csak ha az infó frissebb/pontosabb.

Forgalmi információ terjesztés: SODAD

Forgalmi információ terjesztés: SOTIS SOTIS = Self-Organizing Traffic Information System Járművek: digitális rádió, GPS, digitális térkép Tudásbázis: ebben tárolódnak a TTI (Traffic and Travel Information) üzenetek az útszegmensekről. Időbélyeg: meghatározza a TTI információ megbízhatóságát és a pontosságát ( frissesség ) Periódikus frissítés üzenetküldéssel 13

Forgalmi információ terjesztés: SOTIS

Forgalmi információ terjesztés: SOTIS Ú.n. provokált üzenetszórást használ Adaptív üzenetszórás: a TTI küldési intervallumát változtatja a lokális helyzethez és a másoktól kapott infóhoz viszonyítva. Alap küldési intervallum: Az alap küldési intervallum adaptívan változik. Provokáció: egy olyan észlelt esemény, amely lecsökkenti a következő TTI küldéséig szükséges időt. Elfojtás: egy olyan észlelt esemény, amely megnöveli a következő TTI küldéséig szükséges időt. Tmax = ahol még a leggyorsabban áthaladó járművet is észrevesszük. 15

Forgalmi információ terjesztés SOTIS TTI üzenet vételekor megállapítjuk, hogy mi szükséges: provokáció vagy elfojtás events provoking event reduces update interval mollifying event increases update interval transmission of reports Dt prov Dt mol time T upd T upd - Dt prov T upd T upd + Dt mol T upd 16

Forgalmi információ terjesztés SOTIS SOTIS előnyei: Lecsökkenti a TTI terjedési késleltetését; a jelentős változások terjedését favorizálja; a rendundáns terjesztéseket kiszűri; kevesebb sávszélességet használ torlódáskor. Hátrányok: A rendszer hatásfoka nagyban függ a paraméterek beállításától. Nagy járműszám és erős provokáció esetén előfordulhat, hogy több jármű is egyszerre csökkenti a küldési intervallumját és üzenetszór ütközésekhez vezet. 17

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Ötlet: a TTI terjesztést korlátozni kéne adott terület(ek)re. Javaslat: Publish/subscribe Cél: Csak azok kapják meg a TTI üzenetet, akik ténylegesen érdeklődnek iránta. Publish/subscribe folyamata: Egy jármű feliratkozik (subscribe) egy őt érdeklő témára-ra (topic) pl: forgalmi dugó információ Ha egy jármű publikál (publish) egy TTI üzenetet, meghatározza az érdeklődési területet és az érvényességi időt. A topic-ra feliratkozott járművek akkor kapják meg (notify) az üzenetet, ha az érintett területen belül vannak, és az üzenet érvényessége még nem járt le.

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Megoldandó feladat: Az üzenet megtartása a kijelölt érdeklődési területen belül! Így minden érdeklődő megkaphatja az üzenetet (pl. baleset pontos helye) amint belép a területre, és eltervezheti, hogy hogyan reagál arra (pl. elkerülő út választása). Megoldás: Az üzenet adott számú másolatának (replica) létrehozása. Csak azok a járművek terjesztik az információt, amelyeknél megtalálható az egyik ilyen másolat üzenet. Előny: kisebb forgalom a teljes elárasztás helyett.

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Mielőtt egy másolatot bitrtokló továbbítaná az üzenetet, lekérdezi (polling) a szomszédjait az adott üzenettel kapcsolatban. Lehetséges válaszok: 1. informált: Már korábban megkapta az üzenetet. 2. érdeklődő: Feliratkozott a témára, de még nem kapta meg az üzenetet. 3. nem érdekelt: Nincs a témára feliratkozva. Ha van érdeklődő a szomszédok között, üzenetszórással elküldi az üzenetet. Ha egy replikát birtokló jármű elhagyja a területet, át kell adja a másolatot egy másik járműnek Lehetőleg olyannak, amelyik épp a terület felé halad (pl. szembe jön).

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Amikor egy másolatot birtokló készül elhagyni a területet: 1. kiválasztja azt a járművet, amely körül a legtöbb érdeklődő található, és 2. átadja neki a másolatot. Így a másolatok arrafelé vándorolnak, ahol a leginkább szükség van az információra. Ha egy területen két másolat is van, az egyiket célszerű elírányítani új területek felé.

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Kérdés: Hány másolat legyen? Válasz: A másolatok száma adaptívan változik. Minden másolat birtokló statisztikát készít az elmúlt k lekérdezésről (poll). Ha Ha volt legalább egy informálatlan érdeklődő az elmúlt k körben, a másolatot megtartja. Ha volt legalább k informálatlan érdeklődő, egy új másolatot készít és továbbadja azt az új másolat szállítónak (carrier selection mechanism). Ha nem volt érdeklődő, megjelöli a másolatot törlésre.

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Példa: Csak azokra a helyekre jut el az információ, ahol valóban szükség van rá. random publish/subscribe 24

Forgalmi információ terjesztés: publish/subscribe Publish/subscribe hátrányok: A másolat szállítót kiválasztó mechanizmus nem mindig garantálja, hogy az információ eljut az érdeklődőkhöz. A k paraméter beállításától nagyban függ a protokoll teljesítménye. A protokoll teljesítménye erősen topológiafüggő. Megjegyzés: Figyelembe lehet/kell(?) venni az útvonalhálózatot is az üzenetek terjesztésénél. Pl. Egy egyirányú út esetén a kifelé jövők nem érdekeltek már az információban, így nem is továbbítják azt. 25

Forgalmi információ terjesztés: VITP VITP Vehicular Information Transport Protocol Egy alkalmazás réteg-beli kommunikációs protokoll, helyhez kötött forgalmi információ (pl. dugó, benzinkutak és árak, stb.) terjesztésére. Tipikusan pull információkérés. A forgalmi információ egy lekérdezés (query) által jut el az érdeklődő járműhöz A query azon az útvonalon kerül elküldésre, amelyet a jármű navigációs berendezése kiválasztott. Ezáltal a bejárandó útvonal felderítődik, és információhoz jutunk a forgalmi szituációkról. 27

Forgalmi információ terjesztés: VITP 28

Forgalmi információ terjesztés: VITP A query a célterületre megérkezve feldolgozódik, és az eredmény egy válasz (response) formájában visszajut a járműhöz. A query célterületén lévő járművek kollaboráció alapján fogják a választ legenerálni. Pl. A célterületen a query-t már üzenetszórással terjesztik a szegmensen belül. A kollaboráció elosztott, egy visszatérési feltétel teljesüléséig működik. Pl. visszatérési feltételt a query tartalmazza, pl.: 5 autó sebességének az átlaga. Az információ a rendszerben cache-elve van, ez nagyban javítja a query-k válaszolási sebességét, illetve csökkenti a hálózat terhelését. 29

Forgalmi információ terjesztés: VITP VITP hátrányok Nincs meghatározva, hogy a query-ket milyen messze küldjük be a felderítendő útvonalra. Bizonyos esetekben a query nem megy be a megfelelő mélységbe. Az illető forgalmi dugóra nem derül fény, az alternatív útvonal választása nem történik meg időben. Megjegyzés: Létezik a protokoll push kiterjesztése is (pl. baleset információ küldésére) 30

Forgalmi információ terjesztés: VITP Példa: query terjedése 31

Forgalmi információ terjesztés: SPACE SPACE = SPatially-Aware Congestion Elimination Cél: Megkeresni azokat a pontokat, amelyeken fontos az információ terjesztése a járműveknek egy bizonyos eseményről (DoI Domains of Interest) Pl. útelágazások, ahol alternatív útvonalra lehet rátérni. 33

Forgalmi információ terjesztés: SPACE Megvizsgáljuk, hogy a dugó helyén átmenő útvonalak milyen alternatív útvonalakat eredményeznek. Ezeknek az eltereléseknek a pontjáig kell terjeszteni az információt. Minél nagyobb számú útvonal ment át egy útszegmensen, annál több utazót érint az információ. A terjesztési területet offline meghatározva eltároljuk az információkat. A járművek ez alapján döntik el, hogy részt vegyenek-e az információ továbbküldésében/szállításában. 34

Terjesztési függvény Cél: az incidens függvényében különböző fontosságú pontokba (M1-M3) terjeszteni az információt. A pontok meghatározása nincs algoritmizálva; a terjesztés közben figyelembe vesszük az útinfrastruktúrát. 35

Terjesztési függvény Terjesztési függvény (Propagation function) A terjesztési függvény a forrás által generált. A terjesztő nem egy előre definiált trajektoriát ad meg, hanem egy pontonként kiértékelendő függvényt. A járművek lokálisan kiértékelik a függvényt, és eldöntik, hogy részt vegyenek-e a terjesztésben. a terjesztési függvény létrehozásakor a forgalmi szituációkat is figyelembe vesszük. 36

Forgalmi információ terjesztés: SPACE 37

Balesetmegelőzés A balesetek bekövetkeztének 90%-áért a járművezető a felelős. Oka: nem reagálnak időben a vészhelyzetre ráfutásos láncbalesetek A vezető reakcióideje tipikusan 0,75-1,5 sec. 112kmph sebességnél kb. 22-45 m megtétele a reakcióig. Cél: 1-es jármű hirtelen fékezésekor a mögötte haladó 2-es és 3-as járműveket időben értesíteni. Megjegyzés: A többi sávban közlekedő járművek közvetlenül nem érintettek, így azok értesítése nem annyira fontos. 39

Balesetmegelőzés 110 kmph sebesség 32 m követési távolság 0. jármű satufékez reakcióidő: 1.5sec mindhárom jármű összeütközik! 40

Balesetmegelőzés Vészinfó küldése esetén: Késleltetések: 0-1: 0,1ms 1-2: 0,1/0,4ms 1-es még mindig ütközik 2-es elkerüli az ütközést de csak a 0,1ms-os terjesztési késleltetésnél! 41

Balesetmegelőzés Protokoll követelmények: alkalmazás orientált protokoll tervezés Működésük különbözik az alkalmazások igényei alapján. megbízható/robusztos átvitel Az üzenet átvitelét nagy valószínüséggel kell garantálni. gyors üzenetküldés szükséges A MAC protokoll erősen befolyásolja! Hagyományos ad hoc protokollok nem alkalmasak erre! Üzenetszórásos és geográfiai-alapú protokollokra van szükség! 42

Balesetmegelőzés Naív üzenetszórás: A problémát észlelő jármű periódikusan figyelmeztető üzeneteket küld. Az üzenetet vevő többi jármű esetén: ha az üzenet a menetirányből jött, elkezd fékezni, és elkezdi periódikusan szórni a figyelmeztetést. Problémák: Nincs mechanizmus arra, hogy elnyomja az üzenet továbbítását. A továbbításban résztvevő járművek kiválasztása sem megoldott. 43

Balesetmegelőzés Intelligent Broadcast with Implicit Acknowledgement (Intelligens üzenetszórás implicit nyugtázással) A naív üzenetszórás nagy üzenetszámát próbálja csökkenteni. Implicit nyugtázást használ az üzenetek számának csökkentésére. If (üzenet menetirányból jött) If (üzenetet már előbb megkaptuk) Üzenetet Eldobni else jármű sebességét csökkenteni Random ideig várni ugyanarról az eseményről küldött, hátulról érkező üzenetre if (ez a csomag megérkezett) az üzenet már továbbjutott ennél a járműnél, eldobni else do periódikus broadcastja az üzenetnek until ugyanazt az üzenetet vesszük 44

Balesetmegelőzés Intelligent Broadcast with Implicit Acknowledgement 50 jármű 110 kmph 9,6-28,8 méter IEEE 802.11 64 byte üzenet periódus: 100ms random: (0-10) ms 45

Balesetmegelőzés ODAM = Optimized Dissemination of Alarm Messages Egyetlen továbbító (relay) jármű választódjék ki. A továbbító elosztott módon választódjék ki. A továbbító jármű minél nagyobb területet fedjen le. 46