Distributed traffic information system (TIS) based on V2X communication in large-scale urban environments

Abstract

Πρωτεύοντας στόχος των Ευφυών Συστημάτων Μεταφοράς (Intelligent Transport Systems - ITS) είναι η βελτίωση της ασφάλειας και άνεσης των αστικών οδικών συγκοινωνιών, διαμέσου της βέλτιστης παροχής μια πληθώρας ψηφιακών πληροφοριών στους ταξιδιώτες. Τα δίκτυα οχημάτων (VANET) είναι μια από τις βασικές πλατφόρμες υποστήριξης των ITS, όπου η αλληλοεπικοινωνία οχημάτων και στατικής υποδομής (V2X) μπορεί να επιτρέψει τη διάδοση τέτοιων πληροφοριών. Δεδομένου ότι τα σύγχρονα οχήματα εξοπλίζονται πλέον με περιβαλλοντικούς αισθητήρες υψηλής ευκρίνειας και προηγμένες τεχνολογίες ασύρματης επικοινωνίας, τα VANETs αναμένεται να υποστηρίξουν επαρκώς τη διάδοση σύνθετων πληροφοριών, συμπεριλαμβανομένου των κυκλοφοριακών συνθηκών στις μεγαλουπόλεις. Τα κατανεμημένα συστήματα ενημέρωσης κυκλοφοριακής κίνησης (TIS) θα παρέχουν στους οδηγούς τις απαραίτητες πληροφορίες για δυναμικό προγραμματισμό οδικών διαδρομών καθώς και εκτιμήσεις για τα επίπεδα κυκλοφοριακής συμφόρησης. Παρ 'όλα αυτά, οι εγγενείς ιδιότητες της κινητικότητας των οχημάτων, η έλλειψη σαφής κατανόησης των δικτύων οχημάτων, καθώς και οι αυστηροί χρονικοί και ποιοτικοί περιορισμοί κατά τις διεργασίες διάχυσης δεδομένων κίνησης, θέτουν σημαντικά εμπόδια στη διαδικασία του σχεδιασμού, υλοποίησης και ανάπτυξης των TIS. Επιπλέον, η ερευνητική κοινότητα δεν έχει ακόμη υιοθετήσει ολοκληρωμένες και ρεαλιστικές προσεγγίσεις για την αξιολόγηση των επιδόσεων τέτοιων συστημάτων.

Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει τις ερευνητικές προσπάθειες προς την εξεύρεση λύσεων στα προαναφερθέντα προβλήματα. Για να διερευνηθούν οι πραγματικές δυνατότητες και να καταλάβουμε πώς τα κατανεμημένα TIS θα υλοποιηθούν εν τέλει, μελετάμε μέσω εκτεταμένων μεθόδων ανάλυσης και προσομοίωσης τους εξής τομείς: (i) Δυναμικότητα των VANET σε αστικά περιβάλλοντα, (ii) Ανίχνευση οδικής κυκλοφορίας, και (iii) Διάχυση πληροφοριών οδικής κίνησης σε μεγάλη κλίμακα. Αρχικά, εξερευνούμε τη βασική αρχή πίσω από τεχνολογίες V2X, και συγκεκριμένα τη διαρκώς εξελισσόμενη χωροχρονική φύση των αστικών VANETs διαμέσου των οποίων θα ρέουν πληροφορίες οδικής κίνησης. Εδώ, η συνδεσιμότητα V2X διαμορφώνεται ως ακολουθίες γραφημάτων επαφής και γίνετε χρήση μετρικών απο την ανάλυση σύνθετων δικτύων για να αποκτήσουμε εκείνες τις γνώσεις αναφορικά με τις δομικές ιδιότητες των VANETs. Σε αντίθεση με άλλα δίκτυα μικρών διαστάσεων, αποκαλύπτουμε την υψηλή ευαισθησία των VANET στον κατακερματισμό, την εξαιρετικά μεταβλητή συνδεσιμότητα και την έλλειψη χαρακτηριστικών μικρο-κόσμου. Επιπλέον, παρουσιάζουμε πού και γιατί συγκεκριμένα δικτυακά φαινόμενα συμβαίνουν στο οδικό δίκτυο και αξιοποιούμε τις επιπτώσεις αυτών στο σχεδιασμό αποτελεσματικών μηχανισμών διάδοσης πληροφορίας. Στη συνέχεια, εξετάζουμε το περιορισμένο εύρος ζώνης των VANETs, και διερευνούμε τη δυνατότητα προσωρινής αποθήκευση δεδομένων στα οχήματα. Εξετάζουμε την ικανότητά τέτοιων μηχανισμών να βελτιώσουν την αποτελεσματικότητα των TIS μειώνοντας το χρόνου απόκρισης στα διάφορα αιτήματα και ταυτόχρονα μειώνοντας την επιβάρυνση στο δίκτυο. Μέσω ρεαλιστικών αξιολογήσεων, συζητάμε ότι η χρήση απλών πολιτικών αντικατάστασης TTL επιτυγχάνει σημαντικές βελτιώσεις τόσο σε κανονικές συνθήκες κυκλοφορίας καθώς και σε έκτακτες και απρόσμενες καταστάσεις. Τέλος, παρουσιάζουμε το V-Radar, ένα πρωτόκολλο διάδοσης πληροφοριών κυκλοφορίας. Σε αντίθεση με άλλες προσεγγίσεις, το V-Radar επιτρέπει την υποβολή αιτημάτων και την απόκτηση των πληροφοριών κατά μήκος σύνθετων οδικών διαδρομών, από την τρέχουσα θέση του οχήματος και μέχρι τον τελικό προορισμό του. Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στον οδηγό να αποκτήσει μια πιο ευρεία αντίληψη για τις συνθήκες κυκλοφορίας που πιθανόν να συναντήσει κατά τη διάρκεια του ταξιδιού. Τέλος, παρουσιάζουμε την υποδομή ανάλυσης και προσομοίωσης που αναπτύχθηκε για υποστήριξη της παραπάνω έρευνας.

Intelligent Transportation Systems (ITS) aim to assist commuters in taking informed decisions concerning travel safety and efficiency. Vehicular Ad Hoc Networks (VANET) are one of the key platforms for ITS, wherein vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communication - collectively designated as V2X - can sup- port information dissemination. With high-fidelity sensors becoming mainstream in modern vehicles, VANETs are expected to adequately support the diffusion of disparate sensory artifacts, including the prevailing traffic conditions. In turn, V2X-based Traffic Information Systems (TIS) will provide drivers with dynamic route planning and congestion estimates. Nevertheless, the intrinsic properties of mobility, the lack of clear understanding of vehicular network connectivity, as well as the stringent time and quality constraints for traffic data diffusion, impose significant barriers in the process of designing, implementing and deploying TIS. Moreover, the research community has yet to adopt thorough and realistic performance evaluations approaches for such systems and their peripheral components thereby introducing unnecessary risks of failure, simply because they will confront a demanding environment they were not designed for. This thesis presents the research efforts towards providing solutions to the aforementioned problems. To investigate the potentials and understand how distributed VANET-based TIS will eventually be realized, we study through extensive analytical and simulative methods the following problem domains: (i) VANET dynamics in Urban Environments, (ii) Traffic Sensing and Acquisition, and (iii) Large- Scale Traffic Information Dissemination. At first, we explore the basic premise behind V2X, specifically the constantly evolving spatio-temporal nature of urban-based VANETs through which traffic information will flow. Here, V2X connectivity is modeled as sequences of contact graphs wherein complex network analysis measures are employed to gain insights on the structural properties of VANETs from a city-wide perspective. In contrast to other low-dimensional networks, we unveil the VANET’s high sensitivity to fragmentation, extremely variable connectivity and lack of small-world and scale-free features. Additionally, we present why and where particular network phenomena occur in the underlying road network and exploit the implications in the design of effective information dissemination mechanisms. Next, we consider the constrained bandwidth of VANETs, and we investigate the possibility of in-vehicle data caching. Particularly, we examine its capacity to improve the efficiency of TIS by reducing the time-to-serve requests and network overhead, while abiding established time and quality constraints. Through large-scale realistic simulative evaluations, we discuss that the use of simple TTL-based replacement policies can achieve significant improvements under both normal traffic conditions and unscheduled traffic events. Finally, we present V-Radar a reactive, VANET-based, traffic information dissemination protocol for metropolitan environments. In contrast to other approaches in the literature, V-Radar enables the querying and acquisition of traffic information along a number of composite road-paths, starting from a vehicle’s current position towards its final destination. Ultimately, this effective approach enables the driver to establish a more broad view of the traffic conditions that will be encountered further ahead in a timely manner. Finally, we present the analytical and simulation testbeds developed to support the above research, which are open-source released to the community for future studies.