Szenariobasierte Untersuchung von dezentraler Überlaststeuerung und kooperativem Relaying in Fahrzeugkommunikationsnetzen

Der zunehmende Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien in Verkehrssystemen ermöglicht eine enge Kooperation zwischen Verkehrsteilnehmern. Insbesondere im Straßenverkehr führt der Einsatz von Fahrzeugkommunikation – Fahrzeug-zu-Fahrzeug oder Verkehrsvernetzung (engl. Vehicle-to-Everything, V2X) – zu einer Vielzahl von neuen Anwendungen. Diese reichen von Fahrerinformationen und -warnungen, über Fahrempfehlungen an Kreuzungen bis hin zur Unterstützung der Fahrzeugautomatisierung. Nach mehreren Jahren Forschung, Entwicklung und Standardisierung ist ein erstes V2X-System (ITS-G5) entstanden, das auf einer Variante des WLAN (IEEE 802.11) basiert und einen gesamten Protokollstapel umfasst. ITS-G5 benutzt einen einfachen Ad-hoc- Kommunikationsmodus mit einem zufallsbasierten Kanalzugriffsmechanismus. Datenpakete werden durch geographisches Routing verteilt, das mit single- und multi-hop Kommunikation über ITS-G5-Kommunikationsverbindungen realisiert wird.
In dieser Arbeit wird der aktuelle Stand der Technik, d. h. die existierenden Kooperativen Intelligenten Verkehrssysteme (C-ITS) auf Basis von ITS-G5, als Referenz für weiterführende Performanceverbesserungen evaluiert. Als wesentliches Ergebnis dieser initialen Studie wird einer der möglichen Routing-Algorithmen im existierenden C-ITS – Contention-based Forwarding (CBF) – aufgrund seiner Performance als Basisalgorithmus ausgewählt. Für hohe und niedrige Last (Kanallast, Fahrzeugdichte) zeigen alle Routing-Algorithmen in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Latenz des Paketempfangs einen Performance-Abfall. Daher wird im Weiteren der Fokus auf spezielle Szenarien für hohe und niedrige Last gelegt und die existierenden Algorithmen und Protokolle erweitert, um deren Performance zu verbessern.
Um eine Überlast auf dem drahtlosen Kanal und den damit verbundenen Performance-Abfall zu vermeiden, werden Mechanismen zur Überlaststeuerung (engl. Decentralized Congestion Control, DCC) verwendet. DCC passt die Paketrate eines Fahrzeugs an, damit das Netzwerk unter einer vorgegebenen Schwelle der Kanallast bleibt. Die Paketrate wird in der Zugangsschicht mit einem „Gatekeeper“ unter Einbeziehung der gemessenen Kanallast gesteuert. Der Gatekeeper führt bei Überlast eine zusätzliche Verzögerung ein, die einer Senkung der Paketrate entspricht. Dies hat eine Fehlfunktion von CBF zur Folge, da die zusätzliche Verzögerung den Mechanismus von CBF negativ beeinflusst. In dieser Arbeit wird das mit CBF durchgeführte multi-hop Routing im Zusammenhang mit DCC unter Verwendung des Gatekeepers und einem Ratensteuerungsalgorithmus in einem Szenario mit hoher Kanallast untersucht. Es wird der Algorithmus Congestion-enabled Forwarding eingeführt, bei dem das Routing und DCC gemeinsam betrachtet wird. Mit Congestion-enabled Forwarding kann die Funktionalität von CBF unter hoher Kanallast wiederhergestellt werden. Weiterhin wird die Performance in Bezug auf die Zuverlässigkeit und Latenz für gemischten Datenverkehr mit verschiedenen Prioritäten für single- und multi-hop Paketen stark erhöht.
Für Szenarien mit niedriger Last – niedrige Fahrzeugdichte – gibt es lediglich wenige Knoten im Netzwerk, die das Paket weiterleiten können. Die Knoten haben aufgrund des großen mittleren Abstands untereinander eine niedrige Qualität der Kommunikationsverbindung und damit eine niedrige Zuverlässigkeit des Paketempfangs. Eine Möglichkeit, die Zuverlässigkeit der Kommunikation zu erhöhen, ist das Verfahren Kooperatives Relaying (CoRe) mit Joint-Decoding (JD) (CoRe & JD). Eine Erweiterung dieses Verfahrens, das als „Lossy-Forwarding“ bezeichnet wird, erlaubt das Weiterleiten von fehlerbehafteten Paketen. Die Erweiterung hat zahlreiche Implikationen auf das Design des Kommunikationssystems. Daher wird in dieser Arbeit der Algorithmus Enhanced-CBF entwickelt, um CoRe & JD inklusive Lossy-Forwarding auf Ad-hoc-Netzwerke anwenden zu können. Enhanced-CBF wird simulativ für zwei Szenarien untersucht. Zum einen um die Funktionsweise des Algorithmus zu zeigen, zum anderen um die Anwendung in einem Szenario für Fahrzeugkommunikation zu evaluieren. Dabei konnte eine Verbesserung der Performance für die Zuverlässigkeit und eine Vergrößerung der Kommunikationsreichweite beobachtet werden. Dies stellt dem Fahrer in sicherheitskritischen Situationen zusätzliche Zeit zum Reagieren und zum Ausführen von Fahrmanövern zur Verfügung.