Typ materiálu: Učebný text
Autori: Trúchly P., Jančovič B.
Rok: 2023
Obsah
- 2.1 Kľúčové charakteristiky sietí VANET
- 2.2 Komponenty uzlov VANET
- 2.3 Bezdrôtové komunikačné technológie
3 Architektúry pre siete VANET
- 3.1 Hlavné komponenty
- 3.2 Komunikačná architektúra
- 3.3 Vrstvová architektúra pre siete VANET
4 Koncepcia digitálneho dvojčaťa v sieťach VANET
- 4.1 Definovanie koncepcie digitálneho dvojčaťa
- 4.2 Prípady použitia digitálneho dvojčaťa v cestnej infraštruktúre a potenciálne výzvy
5 Nasadenie 5G v sieťach VANET
- 5.1 Prípady použitia 5G aplikované na V2X
- 5.2 Technológie 5G VANET sietí
- 5.3 Trendy technológie 5G v sieťach VANET
1 Úvod
Siete VANET (Vehicular Ad-Hoc Networks) predstavujú zmenu v modernej doprave a prinášajú revolúciu v oblasti bezpečnosti na cestách, riadenia dopravy a konektivity. Tieto siete sa stali kritickou technológiou pri riešení výziev čoraz viac prepojeného sveta. Vozidlové ad hoc siete (VANET) využívajú princípy mobilných ad hoc sietí (MANET) na vytvorenie spontánnej bezdrôtovej komunikácie medzi mobilnými zariadeniami, konkrétne vo sfére vozidiel.
Koncepcia VANET bola pôvodne predstavená v roku 2001 so zameraním na aplikácie “mobilnej komunikácie a sietí ad-hoc medzi vozidlami”. Tento prístup umožňuje vytváranie sietí a výmenu informácií medzi vozidlami. Integrácia komunikačných architektúr medzi vozidlami a medzi vozidlami a infraštruktúrou v rámci sietí VANET má za cieľ zvýšiť bezpečnosť cestnej premávky, navigáciu a iné služby na cestách. Siete VANET, ktoré sa považujú za kľúčovú súčasť inteligentných dopravných systémov (IDS), sú niekedy synonymom pre inteligentné dopravné siete.
Postupom času sa rozsah sietí VANET rozšíril a sú vnímané ako neoddeliteľná súčasť širšieho konceptu známeho ako “internet vozidiel”. Predpokladá sa, že tento vývoj bude ďalej postupovať do pokročilého štádia charakterizovaného ako “internet autonómnych vozidiel” [1], [2], [3].
Tento text sa zaoberá kľúčovými aspektmi sietí VANET, vrátane odhadu pohybu, výkonových obmedzení a premenlivej hustoty siete. Analyzujeme komponenty uzlov VANET, komunikačné technológie (DSRC, Wi-Fi, mobilné siete) a architektúru sietí. Diskutujeme o pojme digitálne dvojča, výzvach (prezentácia údajov, umiestnenie, bezpečnosť detekcie objektov) a nasadení 5G v sieťach VANET. Skúmame prípady použitia 5G a technologické trendy (bezpečnosť, výkon, obchodné aplikácie) s cieľom zvýšiť bezpečnosť na cestách.
2 Charakteristika sietí VANET
Siete ad hoc vozidiel (Vehicular Ad Hoc Networks – VANET) predstavujú dôležitú vetvu vývoja v bezdrôtových komunikačných technológiách. Nazývajú sa často “sieťami na kolesách” a majú za cieľ zabezpečiť konektivitu a komunikáciu medzi rôznymi uzlami vozidiel. VANET sú v podstate pokračovaním mobilných sietí ale s dôležitými odlišnosťami a výzvami, ktoré pramenia z ich unikátnej mobilnej povahy.
Samotná kapitola sa zameriava na kľúčové charakteristiky sietí VANET ako sú odhad pohybu, výkonové obmedzenia, premenlivá hustota siete a iné. Ako ďalšie skúma komponenty uzlov VANET, vrátane komunikačného hardvéru, cestných jednotiek (RSU), palubných jednotiek (OBU), sústavu senzorov a palubných spracovateľských jednotiek. Bezdrôtové komunikačné technológie DSRC, Wi-Fi a mobilné siete, sú neoddeliteľnou súčasťou sietí VANET.
Cieľom tejto kapitoly je ponúknuť prehľad o kľúčových aspektoch a vlastnostiach sietí VANET, ktoré sú dôležité pre pochopenie ich fungovania a výziev v kontexte moderného cestného prostredia.
2.1 Kľúčové charakteristiky sietí VANET
Siete VANET vykazujú charakteristické znaky [1]:
- Odhad pohybu: pohyb vozidiel je obmedzený mestskou štruktúrou, ako sú chodníky, križovatky a cesty, čím sa dajú predvídať možné aktivity vozidiel.
- Výkonové obmedzenia: keďže vozidlo je vybavené batériou s predĺženou životnosťou, siete VANET nemajú žiadne obmedzenia týkajúce sa napájania.
- Premenlivá hustota siete: hustota siete závisí od premávky v cestných scenároch; vo vidieckych oblastiach je hustota nízka, zatiaľ čo v dopravných zápchach a husto obývaných mestských oblastiach je hustota vysoká.
- Mobilita: v sieťach VANET sa vozidlá zvyčajne pohybujú vysokou rýchlosťou. Mierne oneskorenie prenosu V2V môže tiež viesť k viacerým problémom.
- Variabilná topológia siete: v dôsledku extrémnej mobility vozidiel sa topológia sietí VANET rýchlo mení. To spôsobuje, že siete VANET sú náchylné na útoky a detekcia škodlivých vozidiel je zložitá.
- Obmedzenia v reálnom čase: v sieťach VANET má komunikácia údajov pevne stanovený časový rozsah. Cieľom je poskytnúť príjemcovi dostatok času na rýchle určenie a prijatie potrebných opatrení.
- Kapacita spracovania a ukladania: v sieťach VANET je bežné spravovať obrovské množstvo údajov medzi vozidlami a infraštruktúrami. Preto je kapacita na výpočet a ukladanie náročným problémom.
- Volatilita: vzhľadom na univerzálnosť je bežné, že interakcie medzi dvomi uzlami v sieťach VANET sa vyskytnú len raz. Spojenia medzi uzlami zostanú v rámci niekoľkých bezdrôtových skokov počas obmedzeného časového obdobia. Preto bude ťažké zabezpečiť ochranu osobných kontaktov v sieti VANET.
- Vysoká kapacita spracovania: v porovnaní s inými mobilnými uzlami môžu operačné vozidlá využívať oveľa vyššie spracovateľské, sieťové a snímacie schopnosti.
- Konvenčná mobilita: vozidlá majú pohyby, ktoré sú výhodnejšie ako tradičné siete MANET. Vozidlá sa pohybujú len po diaľniciach. Z technológie GPS sú k dispozícii informácie o cestách.
- Široký rozsah: s niekoľkými účastníkmi by siete VANET mohli pokrývať celú cestnú sieť. Oblasť jej pokrytia sa môže pohybovať od susedstva až po celé mesto.
2.2 Komponenty uzlov VANET
V sieťach VANET slúžia uzly vozidiel ako základné stavebné prvky siete, ktorá zahŕňa širokú škálu vozidiel, od osobných automobilov, nákladných vozidiel a motocyklov až po vozidlá verejnej dopravy. Tieto uzly vozidiel, vybavené špecializovanými hardvérovými a softvérovými komponentmi, sú navrhnuté tak, aby sa aktívne zapájali do ekosystému VANET a zabezpečovali tak efektívnu účasť.
Komunikačný hardvér
Srdcom týchto uzlov vozidiel je ich komunikačný hardvér, ktorý pozostáva zo špecializovaných vysielačov a antén. Tieto kritické komponenty umožňujú bezdrôtový prenos a príjem údajov bez námahy a vytvárajú dôležité spojenia nielen medzi ostatnými vozidlami, ale aj s rôznymi prvkami infraštruktúry roztrúsenými pozdĺž ciest.
Cestné jednotky (RSU)
V rámci siete VANET majú svoje pozície pozdĺž cestnej siete stacionárne komunikačné uzly známe ako cestné jednotky (RSU). RSU zohrávajú kľúčovú úlohu pri uľahčovaní komunikácie medzi vozidlami a infraštruktúrou (V2I) a medzi samotnými vozidlami a ostatným (V2X). Sú dôležité pri poskytovaní dopravných údajov v reálnom čase, bezpečnostných upozornení a možností riadenia dopravy, čím významne prispievajú k zvýšeniu bezpečnosti na cestách a optimalizácii dopravného toku. RSU sú stacionárne a sú pripojené k elektrickej sieti.
Palubné jednotky (OBU)
Palubné jednotky (OBU) sú zariadenia zabudované vo vozidle, ktoré umožňujú komunikáciu medzi vozidlom a infraštruktúrou (V2I) a vozidlom a vozidlom (V2V). Tieto palubné jednotky sú multifunkčné, zhromažďujú a spracúvajú množstvo údajov na podporu navigácie, zvýšenie bezpečnosti a zlepšenie celkovej efektívnosti dopravy. OBU jednotky poskytujú vodičom informácie v reálnom čase, majú adaptívne funkcie a poskytujú intuitívne používateľské rozhrania zamerané na pomoc vodičovi a zlepšenie zážitku z jazdy.
Sústava senzorov
Do štruktúry uzlov vozidla je dômyselne vpletená sústava senzorov. Tieto senzory zahŕňajú široké spektrum technológií vrátane prijímačov GPS, kamier, LIDARov, radarov a ďalších. Táto zložitá sústava snímačov zohráva spoločne nezastupiteľnú úlohu pri podpore nespočetného množstva aplikácií VANET, ako sú navigačná asistencia, systémy na predchádzanie kolíziám a dynamické riadenie dopravy.
Palubné spracovateľské jednotky
V rámci uzlov vozidla pracujú palubné spracovateľské jednotky, ktorých úlohou sú kritické funkcie spracovania údajov, fúzie a rozhodovania. Tieto spracovateľské jednotky zohrávajú kľúčovú úlohu pri interpretácii obrovského množstva údajov prijatých z množstva snímačov, vykonávaní zložitých komunikačných protokolov a uľahčovaní prevádzky aplikácií súvisiacich s bezpečnosťou a riadením dopravy.
Komunikačné moduly
Vozidlové uzly napokon integrujú aj špecializované komunikačné moduly určené na podporu rôznych komunikačných režimov prevládajúcich v prostredí VANET. Tieto moduly umožňujú vozidlám efektívne vysielať a prijímať správy v celom spektre komunikačných kanálov V2V, V2I a V2X, čím zabezpečujú robustné a efektívne pripojenie v dynamickom prostredí VANET [1], [2].
2.3 Bezdrôtové komunikačné technológie
Bezdrôtové komunikačné technológie sú základom funkčnosti siete VANET a umožňujú bezproblémovú výmenu údajov medzi vozidlami v rámci siete. Tieto technológie zahŕňajú spektrum bezdrôtových protokolov a štandardov, ktoré sú dôležité pre prevádzku VANET. Ďalej sa bližšie pozrieme na bezdrôtové komunikačné technológie bežne používané v sieťach VANET.
Vyhradená komunikácia krátkeho dosahu (DSRC)
DSRC je štandard bezdrôtovej komunikácie, ktorý bol starostlivo vytvorený na komunikáciu na krátke vzdialenosti v rámci siete VANET. DSRC pracuje vo frekvenčnom pásme 5,9 GHz a umožňuje vozidlám vymieňať si správy dôležité z hľadiska bezpečnosti na vzdialenosť až 1 000 metrov. Tieto správy zahŕňajú dôležité informácie, ako sú varovania pred kolíziou a upozornenia na núdzové brzdenie, čím sa DSRC stáva základnou technológiou nevyhnutnou pre komunikáciu V2V aj V2I.
Wi-Fi
Technológia Wi-Fi, najmä IEEE 802.11p, predstavuje ďalší široko prijatý komunikačný štandard v rámci sietí VANET. Wi-Fi je známa svojimi schopnosťami vysokorýchlostného prenosu dát a je vhodná pre nespočetné množstvo aplikácií v rámci ekosystému VANET. Jeho všestrannosť sa rozširuje na streamovanie multimédií, poskytovanie dopravných informácií v reálnom čase a poskytovanie informačno-zábavných služieb vo vozidle, čím sa zlepšuje celkový zážitok z jazdy.
Mobilné siete
V oblasti VANET sa využívajú aj bunkové siete, pričom do popredia sa dostávajú siete 4G LTE a 5G. Tieto siete poskytujú rozsiahle oblasti pokrytia, vďaka čomu sú kľúčové v scenároch, kde je pripojenie k internetu prvoradé. Mobilné siete otvárajú dvere množstvu aplikácií vrátane prístupu ku cloudovým službám, aktualizáciám cez internet a bezproblémovej výmene údajov s externými servermi a systémami. Osobitný význam majú v oblasti komunikácie V2X, kde zabezpečujú spoľahlivé pripojenie a integráciu údajov v rámci infraštruktúry VANET [1], [2].
3 Architektúry pre siete VANET
Architektúra sietí VANET je kľúčovým prvkom, ktorý umožňuje efektívnu komunikáciu v týchto špecifických bezdrôtových sieťach. Táto kapitola sa zaoberá rozdelením architektúry VANET do troch hlavných oblastí a skúma komponenty a komunikačné štandardy, ktoré hrajú kľúčovú úlohu pri podpore spoľahlivej komunikácie v týchto sieťach.
Kapitola analyzuje komunikačnú architektúru sietí VANET, vrátane komunikácie vo vozidle, medzi vozidlami, medzi vozidlami a cestnou infraštruktúrou, medzi vozidlami a všetkým a medzi vozidlami a cloudom. Vrstvová architektúra je ďalším dôležitým aspektom, ktorý pomáha organizovať komunikáciu a výmenu údajov v týchto sieťach. Ďalej taktiež upozorňuje na regionálne rozdiely v architektúre VANET, ako je prípad amerického systému DSRC a európskeho systému CAR-2-X, ktoré majú odlišné prístupy k komunikácii v sieti VANET.
3.1 Hlavné komponenty
V oblasti sietí VANET je základom ich architektúra, ktorú možno rozdeliť do troch základných oblastí v súlade s normami architektúry IEEE 1471-2000 a ISO/IEC 42010:
Mobilná doména
V kontexte architektúry VANET sa mobilná doména delí na dva kľúčové segmenty:
- Doména vozidla – v rámci domény vozidiel pôsobí ako primárne mobilné uzly rôznorodá škála vozidiel vrátane automobilov, autobusov a vlakov. Tieto vozidlá tvoria základ mobilnej domény a sú nevyhnutné na výmenu informácií.
- Doména mobilných zariadení – doména mobilných zariadení zahŕňa široké spektrum prenosných prístrojov, ako sú osobné navigačné zariadenia a smartfóny. Tieto zariadenia zohrávajú kľúčovú úlohu pri uľahčovaní komunikácie a interakcie v rámci mobilnej domény. Slúžia ako rozhranie medzi vodičmi, cestujúcimi a vozidlovou sieťou.
Generická doména
Generická doména rozširuje rozsah architektúry VANET tak, aby zahŕňala širšiu sieťovú infraštruktúru vrátane verejného internetu a prvkov súkromnej siete. Tieto prvky slúžia ako základ, ktorý možno využiť na účely komunikácie a pripojenia.
Doména infraštruktúry
Infraštruktúrna doména je základným kameňom architektúry VANET a pozostáva z dvoch rôznych subdomén:
- Doména cestnej infraštruktúry – v rámci domény cestnej infraštruktúry sú pozdĺž ciest strategicky umiestnené rôzne prvky, ako sú semafory a kamery. Tieto prvky sú dôležité pre bezproblémovú komunikáciu a koordináciu medzi infraštruktúrou a vozidlami. Zvyšujú bezpečnosť na cestách a riadenie dopravy.
- Doména centrálnej infraštruktúry – doména centrálnej infraštruktúry slúži ako nervové centrum pre prevádzku VANET. Tu sa nachádzajú centrá riadenia infraštruktúry, ako sú centrá riadenia dopravy (TMC) a centrá riadenia vozidiel. Tieto centrá fungujú ako centrálne uzly na agregáciu údajov, riadenie a rozhodovanie a zabezpečujú efektívnu prevádzku siete vozidiel.
Obrázok 1: Systémové domény VANET [4]
Je pozoruhodné, že architektúra sietí VANET vykazuje regionálne rozdiely. V Európe má napríklad prednosť komunikačný systém CAR-2-X, ktorý presadzuje Konzorcium pre komunikáciu CAR-2-CAR (C2C-CC) od uverejnenia svojho “manifestu” v roku 2007. Architektúra tohto európskeho systému zahŕňa tri oblasti: vozidlovú, ad hoc a infraštruktúrnu.
Doména vo vozidle
Táto doména sa skladá z palubnej jednotky (OBU) a jednej alebo viacerých aplikačných jednotiek (AU). Tieto komponenty sú zvyčajne prepojené prostredníctvom káblových aj bezdrôtových pripojení. Jednotky AU sú špecializované zariadenia, ktoré môžu byť integrované do vozidiel alebo môžu existovať ako samostatné prenosné zariadenia, napríklad smartfóny alebo prenosné počítače. Spúšťajú aplikácie, ktoré využívajú komunikačné schopnosti OBU.
Ad-hoc doména
V doméne ad-hoc sú vozidlá vybavené jednotkami OBU a stacionárne jednotky RSU strategicky rozmiesťované pozdĺž ciest. Jednotky OBU v týchto vozidlách umožňujú bezdrôtovú komunikáciu na krátku vzdialenosť medzi vozidlami, či už prostredníctvom priamej komunikácie alebo viacerých skokov v rámci ad-hoc siete. Jednotky RSU fungujú ako stacionárne uzly a majú schopnosť pripojiť sa k infraštruktúrnym sieťam alebo internetu. Tieto RSU sú schopné prenášať, prijímať a odosielať dáta v rámci ad-hoc domény, čím sa rozširuje pokrytie tejto siete. Okrem toho môžu jednotky OBU využívať prístup k internetu prostredníctvom RSU, ktoré sú pripojené k infraštruktúre, alebo prostredníctvom verejných alebo súkromných bezdrôtových aktívnych bodov (HS) na komunikáciu s internetovými uzlami alebo servermi.
Prístup do domény infraštruktúry
Prístup do domény infraštruktúry zahŕňa aktívny bod (HS) a RSU. Keď RSU alebo HS nie sú k dispozícii, OBU môžu plynule prejsť na využívanie mobilných rádiových sietí, ako sú HSDPA, WiMax a 4G, na pripojenie k internetu, čím sa zabezpečí nepretržitá komunikácia a prístup k sieti [3], [4].
Obrázok 2: C2C-CC – referenčná architektúra [4]
3.2 Komunikačná architektúra
Komunikácia v rámci sietí VANET sa rozdeľuje do štyroch rôznych kategórií, ktoré úzko súvisia s rôznymi zložkami sietí VANET, ako už bolo opísané.
Komunikácia vo vozidle
Komunikácia vo vozidle má vo výskume sietí VANET čoraz väčší význam. Týka sa predovšetkým domény vo vozidle a zameriava sa na systémy, ktoré môžu monitorovať výkon vozidla vrátane kritických aspektov, ako je únava a ospalosť vodiča. Táto schopnosť zohráva kľúčovú úlohu pri zabezpečovaní bezpečnosti vodičov a verejnosti.
Komunikácia medzi vozidlami (V2V)
Komunikácia V2V slúži ako platforma na výmenu údajov medzi vodičmi. Umožňuje zdieľanie dôležitých informácií a výstražných správ medzi vozidlami, čím sa zlepšujú asistenčné schopnosti vodiča a podporuje sa bezpečnosť na cestách.
Komunikácia medzi vozidlami a cestnou infraštruktúrou (V2I)
Komunikácia V2I predstavuje ďalšiu pozoruhodnú oblasť štúdia v sieťach VANET. Uľahčuje vodičom aktualizácie v reálnom čase týkajúce sa dopravných a poveternostných podmienok a zároveň podporuje monitorovanie a snímanie životného prostredia.
Komunikácia medzi vozidlami a všetkým (Vehicle-to-Everything)
V2X je komplexný spôsob komunikácie, ktorý zahŕňa interakcie nielen s inými vozidlami (V2V) a infraštruktúrou (V2I), ale aj s chodcami (Vehicle-to-Pedestrian alebo V2P), cyklistami (Vehicle-to-Cyclist alebo V2C) a inými účastníkmi cestnej premávky. V2X umožňuje širokú škálu aplikácií v oblasti bezpečnosti a riadenia dopravy vrátane bezpečnostných upozornení pre chodcov a predchádzania kolíziám s cyklistami.
Komunikácia medzi vozidlom a cloudom (V2C)
Koncepcia komunikácie V2C umožňuje vozidlám komunikovať prostredníctvom bezdrôtových širokopásmových technológií, ako je 3G/4G, so širším širokopásmovým cloudom. Tento typ komunikácie má obrovský potenciál, pretože môže obsahovať množstvo informácií súvisiacich s dopravou, monitorovacie údaje a dokonca aj informačno-zábavné služby. Komunikácia V2C zohráva kľúčovú úlohu pri aktívnej asistencii vodiča a sledovaní vozidla [3], [4].
3.3 Vrstvová architektúra pre siete VANET
Vrstvová architektúra pre siete VANET je kľúčovým aspektom ich návrhu. Riadi sa známym modelom Open Systems Interconnection (OSI), ktorý kategorizuje komunikačné funkcie do siedmich logických vrstiev. Stojí však za zmienku, že v tomto kontexte vynechávame reláciu a prezentačnú vrstvu a každú vrstvu môžeme ďalej rozdeliť na podvrstvy.
Obrázok 3: OSI model
Architektúry VANET sa môžu v jednotlivých regiónoch líšiť, čo má za následok rozdiely v protokoloch a rozhraniach. Napríklad v Spojených štátoch existuje špecializovaný zásobník protokolov pre komunikáciu na krátke vzdialenosti známy ako DSRC, prispôsobený špeciálne pre automobilové aplikácie. Americká Federálna komunikačná komisia (FCC) pridelila pre komunikáciu DSRC spektrum 75 MHz v rozsahu od 5,850 GHz do 5,925 GHz. Na prevádzku na rôznych vrstvách zásobníka sú navrhnuté rôzne protokoly, pričom niektoré z nich sa ešte stále aktívne vyvíjajú.
Jedným z významných protokolov v sieťach VANET je IEEE 802.11p, schválená zmena a doplnenie normy IEEE 802.11. Táto zmena a doplnenie sa zameriava predovšetkým na fyzickú vrstvu (PHY) a podvrstvu riadenia prístupu k médiám (MAC). Okrem toho je IEEE 1609 normou vyššej vrstvy, ktorá vychádza z IEEE 802.11p. Zahŕňa rodinu noriem určených na prevádzku v stredných vrstvách zásobníka protokolov, ktoré ponúkajú flexibilitu na podporu bezpečnostných aplikácií v sieťach VANET. Na druhej strane, aplikácie, ktoré nie sú bezpečné sa spoliehajú na iný súbor protokolov. Konkrétne služby sieťovej vrstvy a služby transportnej vrstvy pre aplikácie, ktoré nie sú bezpečnostné, poskytujú tri stabilné protokoly: IPv6, TCP a UDP [4].
Obrázok 4: Vrstvová architektúra pre DSRC [4]
4 Koncepcia digitálneho dvojčaťa v sieťach VANET
Digitálne dvojča je pozoruhodnou technológiou v rámci internetu vecí (IoT), ktorá si získala značnú pozornosť ako jeden z 10 strategických technologických trendov v roku 2019. Ide o digitálnu repliku fyzickej entity, ktorá umožňuje monitorovanie a synchronizáciu medzi fyzickou a virtuálnou sférou v reálnom čase, čo umožňujú prvky kyberneticko-fyzických systémov. Digitálne dvojča má pôvodne korene v letectve a kozmonautike, jeho aplikácie sa však rozšírili do rôznych oblastí vrátane robotiky, výroby a informatiky.
V tejto kapitole preskúmame prípady použitia digitálneho dvojča v cestnej infraštruktúre a potenciálne výzvy, ktoré s touto technológiou súvisia.
4.1 Definovanie koncepcie digitálneho dvojčaťa
Koncepcia digitálneho dvojča v sieti VANET predstavuje vytvorenie dynamického virtuálneho dvojča fyzického vozidla, ktoré funguje v reálnom čase a prináša mnoho výhod. Toto dvojča nie len zvyšuje bezpečnosť a údržbu vozidla, ale aj personalizuje jazdný zážitok podľa používateľských preferencií. V rámci pripojených vozidiel a sietí VANET si môžeme predstaviť digitálne dvojča ako virtuálny “klon” vozidla a jeho okolia v digitálnej oblasti. Tento klon funguje ako nepretržité zrkadlo, ktoré odzrkadľuje aktuálny stav fyzického vozidla. Zahrňuje informácie o polohe vozidla na ceste, jeho rýchlosti, stave motora a dokonca aj teplote v kabíne, všetko v reálnom čase. To znamená, že akýkoľvek pohyb vo fyzickom svete, ako napríklad zmena smeru jazdy alebo rýchlosti, sa okamžite prejaví v digitálnom dvojčati [5].
4.2 Prípady použitia digitálneho dvojčaťa v cestnej infraštruktúre a potenciálne výzvy
V tejto časti sa venujeme kľúčovým prípadom použitia a doménovým aplikáciám, ktoré závisia od digitálnej reprezentácie cestnej infraštruktúry. Približujeme niektoré výhody, ktoré ponúka, a zároveň sa zaoberáme významnými výzvami spojenými s touto technológiou.
Prípady použitia
- Samojazdiace vozidlá
Autonómne vozidlá sa spoliehajú na digitálne dvojča cestnej infraštruktúry, ktoré v reálnom čase získava údaje o stave ciest, aktualizácie dopravných informácií a navigáciu. To umožňuje samojazdiacim vozidlám prijímať informované rozhodnutia a vykonávať manévre bez zásahu človeka.
Výhody:
Zvyšuje bezpečnosť poskytovaním aktuálnych informácií o stave ciest.
Zlepšuje efektívnosť optimalizáciou trás na základe aktualizácií dopravných informácií v reálnom čase.
Prispieva k prínosom pre životné prostredie tým, že umožňuje plynulejšiu premávku a znižuje počet nehôd.
- Národná bezpečnosť
Digitálne dvojča slúži ako účinný nástroj pre národnú bezpečnosť. Využitím mechanizmov detekcie a rozpoznávania objektov môžu orgány sledovať a identifikovať podozrivé osoby a vozidlá, čo pomáha pri prevencii kriminality a rýchlej reakcii na potenciálne hrozby.
Výhody:
Znižuje počet trestných činov, ako sú krádeže áut, prostredníctvom účinného monitorovania a identifikácie.
Zvyšuje možnosti presadzovania práva poskytovaním informácií v reálnom čase o potenciálnych bezpečnostných hrozbách.
- Poistenie a bezpečnosť
Digitálne dvojčatá na cestách zohrávajú kľúčovú úlohu pri riešení nehôd a podpore bezpečnosti. Poisťovne využívajú zaznamenané údaje na presné určenie zodpovednosti v prípade nehody. Okrem toho zariadenia internetu vecí na cestách poskytujú údaje z okolia na hĺbkovú analýzu nehôd.
Výhody:
Uľahčuje spravodlivé a presné riešenie sporov súvisiacich s nehodami pre poisťovne.
Zlepšuje pochopenie okolností nehody vďaka okolitým údajom zo zariadení IoT.
Podporuje rozhodovanie založené na údajoch s cieľom zvýšiť celkovú bezpečnosť na cestách.
Výzvy
- Prezentácia údajov – jednou z hlavných výziev je efektívne prezentovanie značného objemu generovaných údajov koncovým používateľom spôsobom, ktorý zodpovedá ich prispôsobeniu a preferenciám. Vzhľadom na zložitosť údajov je kľúčové vytvoriť používateľsky prívetivé rozhrania na prístup k týmto informáciám a ich interpretáciu. Potenciálnym riešením tejto výzvy môžu byť miestne dynamické mapy, ktoré ponúkajú vizualizáciu údajov v reálnom čase a možnosti prispôsobenia.
- Umiestnenie DTB – digitálne dvojičky (DTB), ktoré sú zodpovedné za zber a prenos údajov z fyzickej cestnej infraštruktúry do DT, musia byť strategicky umiestnené. Optimalizácia ich rozmiestnenia je náročná, pretože zahŕňa dosiahnutie rovnováhy medzi zabezpečením nákladovej efektívnosti a poskytnutím komplexného pokrytia cestnej siete. Určenie čo najefektívnejších miest pre DTB je nevyhnutné.
- Bezpečnosť – zabezpečenie údajov pochádzajúcich zo zariadení IoT v rámci cestnej infraštruktúry je prvoradým záujmom. Zariadenia internetu vecí sú zo svojej podstaty zraniteľné voči rôznym kybernetickým hrozbám, a preto je ochrana údajov veľmi dôležitá. Na ochranu údajov pred potenciálnymi kybernetickými útokmi možno využiť robustné bezpečnostné rámce, ako napríklad blockchain. To sa stáva obzvlášť dôležitým v kontexte autonómneho riadenia, kde sú integrita a autenticita údajov životne dôležité.
- Presnosť v noci – zachovanie presnosti detekcie a rozpoznávania objektov počas noci predstavuje výzvu. Počas noci je totiž často nízky kontrast medzi objektmi a pozadím, čo sťažuje senzorom a kamerám efektívne zisťovanie a rozpoznávanie objektov. Riešenie tejto výzvy je nevyhnutné na zabezpečenie spoľahlivosti údajov DT cestnej infraštruktúry, najmä počas nočných jazdných podmienok [6].
5 Nasadenie 5G v sieťach VANET
Vývoj 5G prináša nové technológie do oblasti komunikácie vozidiel, čím umožňuje vytváranie inteligentných dopravných systémov ktoré môžu zmeniť riadenie dopravy. V tomto rozsiahlejšom prehľade sa budeme zaoberať 5G technológiami aplikovaným na komunikáciu medzi vozidlami a všetkým (V2X).
Kapitola sa zaoberá tromi základnými typmi 5G služieb pre V2X, preskúma technológie podporujúce túto transformáciu a v poslednom rade sa zameriava na trendy v technológii 5G v sieťach VANET.
5G technológie menia našu dopravu a prinášajú nové možnosti od bezpečnosti až po pohodlie cestujúcich. Tento prehľad nám pomôže lepšie pochopiť túto novú éru inteligentnej mobility.
5.1 Prípady použitia 5G aplikované na V2X
V kontexte 5G aplikovaného na komunikáciu V2X (Vehicle-to-Everything) sú v súlade so zavedenými normami, dôležité tri základné typy služieb. Tieto služby sú bezproblémovo integrované, aby ponúkali komplexné možnosti V2X:
Rozšírené mobilné širokopásmové pripojenie (eMBB)
Rozšírené mobilné širokopásmové pripojenie (eMBB) je cielene navrhnuté tak, aby zvyšovalo rýchlosť prenosu dát, najmä pre aplikácie náročné na prenos dát, ktoré si vyžadujú vysokú rýchlosť prenosu dát a spoľahlivosť, pričom dosahuje pôsobivo nízku chybovosť paketov 10^-3.
V prípade V2X zohráva eMBB kľúčovú úlohu pri riešení pokročilých prípadov použitia, ktoré závisia od vysokých rýchlostí prenosu dát, vrátane videokonferencií vo vozidle, sťahovania máp vo vysokom rozlíšení a bezproblémového poskytovania multimediálnych služieb.
S cieľom prispôsobiť sa rôznorodým požiadavkám vozidiel na prevádzku sa skúmajú riešenia, ako je napríklad delenie siete na časti, čo má priamy vplyv na V2X, pretože umožňuje vytvárať časti prispôsobené pre autonómnu jazdu a informačno-zábavné služby. Okrem toho sa navrhuje rozdeľovanie siete na časti (Resource Area Network – RAN), aby sa súčasne podporovali časti eMBB a V2X, čím sa výrazne zvýši využitie zdrojov a celková účinnosť siete.
Mimoriadne spoľahlivá komunikácia s nízkou latenciou (URLLC):
Vyznačuje sa veľmi nízkou latenciou, ktorá sa pohybuje v pozoruhodnom rozsahu 1 milisekundy alebo aj menej a ďalej sa môže pochváliť zabezpečením end-to-end s minimálnou stratou dátových paketov (10^-5) a úžasnou 99,999 % spoľahlivosťou. Tento výnimočný výkon je prispôsobený na splnenie prísnych požiadaviek aplikácií citlivých na oneskorenie.
URLLC je obzvlášť vhodný v scenároch, ktoré vyžadujú okamžitý prenos údajov spojený s vysokou spoľahlivosťou, čo je nevyhnutnosťou v aplikáciách, ako sú varovné systémy alebo alarmy, kde môže byť čas odozvy otázkou života a smrti.
Na zabezpečenie neochvejnej spoľahlivosti a efektívneho využívania zdrojov sa komunikácia URLLC riadi aperiodickým vzorom a implementuje sofistikované mechanizmy plánovania prideľovania zdrojov.
Vzhľadom na dôležitosť nízkej latencie a vysokej spoľahlivosti v mnohých prípadoch použitia V2X vrátane platooningu, jazdy na diaľku, pokročilého riadenia a rozšírených senzorových sietí sa prebiehajúci výskum v oblasti V2X intenzívne zameriava na optimalizáciu prideľovania zdrojov, energetickú účinnosť a bezproblémovú integráciu s multiprístupovými okrajovými počítačovými sieťami (MEC). Tieto snahy sú nastavené na ďalšie zvýšenie latencie, priepustnosti a úspešného vykonávania výpočtovo náročných úloh.
Hromadná komunikácia strojového typu (mMTC)
Hromadná komunikácia strojového typu (mMTC) slúži ako technológia umožňujúca sporadický prenos údajov do rozsiahleho množstva pripojených strojov alebo objektov rozmiestnených v rozsiahlej geografickej oblasti. Dôraz sa tu kladie na minimalizáciu spotreby energie, zníženie nákladov, zjednodušenie zložitosti a dosiahnutie nižších prenosových rýchlostí pri zachovaní konkurencieschopnej chybovosti paketov 10^-1.
Táto služba vyhovuje scenárom, v ktorých si premenlivý počet aktívnych zariadení vyžaduje prístup k sieťovým zdrojom prostredníctvom protokolov s náhodným prístupom, vďaka čomu je vhodnou voľbou pre rozmanitú a dynamickú povahu prostredí V2X.
Na splnenie prísnych požiadaviek mMTC v rámci oblasti 5G boli výslovne definované a štandardizované špecializované technológie, ako sú úzkopásmový internet vecí (NB-IoT) a rozšírené MTC (eMTC). Tieto technologické pokroky sú navrhnuté tak, aby spĺňali špecifické potreby mMTC a zabezpečili bezproblémovú integráciu v rámci širšieho ekosystému V2X.
V kontexte V2X mMTC umožňuje vozidlám nepretržite zhromažďovať údaje z ich zabudovaných snímačov, čím sa zvyšuje povedomie o životnom prostredí a prispieva k vytváraniu hustých a vysoko prepojených prostredí. To následne podporuje širokú škálu aplikácií V2X, ktoré nie sú citlivé na oneskorenie, od dynamického zdieľania jazdy až po aktualizácie softvéru, a zároveň obohacuje dostupnosť údajov pre aplikácie V2X, ktoré sú kritické z hľadiska bezpečnosti [7].
Tieto základné služby 5G tvoria rozhodujúci rámec pre rozšírenie možností V2X a umožňujú široké spektrum aplikácií od pohlcujúcich multimediálnych zážitkov až po mimoriadne spoľahlivé bezpečnostné systémy, čím posúvajú vývoj komunikácie vozidiel do novej éry možností.
5.2 Technológie 5G VANET sietí
NFV (virtualizácia sieťových funkcií)
NFV, predstavená v roku 2012, oddeľuje sieťové funkcie od fyzických zariadení, vďaka čomu sú siete 5G flexibilnejšie. Podporuje inteligentné palubné systémy (IOS) tým, že emuluje služby, rieši preťaženie siete a zlepšuje služby pre vozidlá. NFV tiež umožňuje rýchle nasadenie a škálovanie sieťových funkcií, čím výrazne znižuje prevádzkové náklady.
SDN (softvérovo definované siete)
SDN zjednodušuje správu siete centralizáciou inteligencie a dopĺňa NFV v komunikácii V2X. Umožňuje správu politík, granulárne riadenie a efektívne smerovanie. Kontroléry SDN vytvárajú politiky zosúladené s požiadavkami V2X. SDN je vysoko adaptabilná, uľahčuje dynamické úpravy siete v reakcii na požiadavky prevádzky, čím zvyšuje efektívnosť siete a využitie zdrojov.
MEC (Multi-Access Edge Computing)
MEC približuje výpočtové zdroje k vozidlám, čím zlepšuje služby V2X s nízkou latenciou. Integrácia s 5G zlepšuje kvalitu komunikácie, odozvu a spoľahlivosť. MEC tiež umožňuje vykonávať výpočtovo náročné aplikácie na okraji siete, čím sa znižuje latencia pri úlohách v reálnom čase. Zaistenie integrity a bezpečnosti údajov na okraji siete však zostáva výzvou.
Rozdelenie siete 5G
Sieťové rozdelenie rozdeľuje fyzické siete na virtuálne, čím optimalizuje využitie zdrojov. Je kľúčové pre URLLC vo vozidlových sieťach a ponúka flexibilitu a efektívnosť prostredníctvom SDN riadeného rozdeľovania siete. Rozdelenie dokáže uspokojiť rôzne prípady použitia, napríklad autonómne riadenie, rozšírenú realitu a internet vecí, čím sa zabezpečí pripojenie na mieru pre každú aplikáciu.
Cloudová rádiová prístupová sieť (C-RAN)
C-RAN centralizuje funkcie spracovania dát, čím zvyšuje efektivitu siete. Je nevyhnutná pre aplikácie V2X s nízkou latenciou, ale čelí výzvam, ako sú prísne požiadavky na latenciu. C-RAN môže tiež znížiť spotrebu energie v mobilných sieťach konsolidáciou zdrojov spracovania, čo prispieva k ekologickejším sieťam.
NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access)
NOMA zlepšuje konektivitu a znižuje latenciu v sieťach V2X, čo je prínosom pre vysielanie bezpečnostných informácií a husté siete. Medzi výzvy patrí zložitosť prijímača. NOMA môže výrazne zlepšiť spektrálnu účinnosť tým, že umožní viacerým používateľom zdieľať rovnaké frekvenčné zdroje, čím sa zvýši kapacita siete.
Milimetrové vlny (mmWave)
mmWave ponúka vysokorýchlostný prenos dát pre aplikácie, ako je autonómne riadenie, ale čelí výzvam v oblasti vyrovnávania lúčov a útlmu signálu. Napriek obmedzeniam v pokrytí môže výnimočná šírka pásma mmWave podporovať dátové prenosy s rýchlosťou niekoľkých gigabitov za sekundu, čo umožňuje aplikácie náročné na šírku pásma vo vozidlách.
Full-Duplex (FD)
FD umožňuje súčasný prenos a príjem, čím sa zvyšuje spoľahlivosť V2X, najmä v prípadoch slabého signálu. Integrácia s technológiou NOMA zlepšuje komunikáciu, ale prináša problémy s rušením. Technológia FD sa rýchlo vyvíja a prebiehajúci výskum sa zameriava na zmiernenie problémov s vlastným rušením, čím sa stáva praktickejšou pre siete V2X.
Umelá inteligencia (AI)
Umelá inteligencia zohráva dôležitú úlohu pri riadení dopravy, autonómnom riadení a optimalizácii zdrojov v sieťach V2X, a to napriek problémom s dostupnosťou údajov a scenárom citlivým na ochranu súkromia. Algoritmy AI nepretržite analyzujú obrovské množstvo údajov zo snímačov a vozidiel, čo umožňuje rozhodovanie v reálnom čase a prediktívnu údržbu na zvýšenie bezpečnosti a efektívnosti komunikácie vozidiel [7].
5.3 Trendy technológie 5G v sieťach VANET
V tejto podkapitole sa budeme venovať najnovším trendom v použití technológie 5G v sieťach VANET. Zameriame sa na štyri hlavné oblasti.
5.3.1 Zameranie na bezpečnosť
V sieťach VANET prevládajú bezpečnostné výzvy podobné tým v tradičných sieťach, ako je zabezpečenie dôvernosti, integrity a dostupnosti údajov.
- Integrácia 5G a bezpečnosti vozidiel: Integrácia sietí 5G s vozidlami je rozhodujúcim krokom k vytvoreniu inteligentných dopravných systémov (IDS), ktoré uprednostňujú bezpečnosť používateľov. Táto technológia umožňuje komunikáciu v reálnom čase medzi vozidlami, infraštruktúrou a systémami riadenia dopravy, čím sa znižuje riziko nehôd a zvyšuje bezpečnosť na cestách.
- Prístup k bezpečnosti: Súčasný výskum sa prevažne zameriava na posilnenie bezpečnostných opatrení na vyšších komunikačných vrstvách, pričom nižšie vrstvy zostávajú potenciálne zraniteľné. Budúce výskumné snahy sa zameriavajú na komplexnú integráciu sietí 5G a VANET s veľkým dôrazom na zvýšenie bezpečnosti vo všetkých komunikačných vrstvách [8].
5.3.2 Zlepšenie výkonu
Na prekonanie výziev, ktoré predstavuje vysoká mobilita v sieťach VANET, je nevyhnutná kombinácia centralizovanej infraštruktúry cloudu prostredníctvom 5G s decentralizovaným výpočtom. Tento prístup výrazne znižuje oneskorenie prenosu údajov.
- Strojové učenie na predpovedanie prevádzky: Decentralizovaná architektúra nielen uľahčuje efektívne zdieľanie obsahu, ale využíva aj strojové učenie na predpovedanie a efektívne riadenie prevádzky. Toto inteligentné riadenie dopravy optimalizuje plánovanie trasy, znižuje preťaženie a zvyšuje celkovú efektívnosť dopravy.
- Výhody výkonu: Výsledky výskumu dokazujú vyššiu priepustnosť a menšie oneskorenia v sieťach 5G SD VANET v porovnaní s tradičnými architektúrami, čo ponúka výrazné zvýšenie výkonu. Tento zvýšený výkon je obzvlášť výhodný pre aplikácie citlivé na oneskorenie, ako sú autonómne vozidlá a riadenie dopravy v reálnom čase [8].
5.3.3 Obchodné a zábavné aplikácie
Vysoká mobilita vlastná sieťam VANET predstavuje jedinečnú výzvu pre aplikácie infotainmentu, ktoré sa spoliehajú na konzistentný prenos údajov.
- Vlastné protokoly na optimalizáciu šírky pásma: Vlastné protokoly v rámci sietí 5G môžu optimalizovať prideľovanie šírky pásma a výrazne zlepšiť streamovanie videa v inteligentných mestách. Toto prispôsobenie zabezpečuje, že služby infotainmentu dostanú potrebné sieťové zdroje na neprerušované a vysokokvalitné poskytovanie obsahu.
- Vylepšená kvalita s technológiou LHT: Technológia LHT (Link-aware high data transmission) je dôležitá pre zvýšenie kvality infotainmentu, ponúka vynikajúcu kvalitu videa a minimalizuje oneskorenia. Táto technológia uspokojuje rastúci dopyt po obsahu vo vysokom rozlíšení a pohlcujúcej zábave vo vozidlách [8].
5.3.4 Zvýšenie bezpečnosti na cestách
Integrácia technológií 5G a internetu vozidiel (IoV) je kľúčová pre zlepšenie riadenia dopravy, najmä v preťažených oblastiach.
- Kooperatívna lokalizácia na presné určovanie polohy: Kooperatívna lokalizácia, ktorú umožňujú technológie 5G, výrazne zlepšuje presnosť polohy vozidiel vo vidieckom aj mestskom prostredí. Toto presné určovanie polohy je nevyhnutné pre aplikácie, ako sú systémy predchádzania kolíziám a efektívne riadenie dopravných tokov.
- Hybridné riešenia pripojenia: Hybridné systémy, ktoré kombinujú bunkové siete a Wi-Fi Direct, riešia výzvy v oblasti pripojenia, vďaka čomu sú nevyhnutné na podporu komunikácie medzi vozidlami (V2X) pre aplikácie dôležité z hľadiska bezpečnosti. Tieto hybridné riešenia zabezpečujú spoľahlivú komunikáciu s nízkou latenciou, ktorá je rozhodujúca pre bezpečnostné varovania v reálnom čase a koordináciu autonómnych vozidiel [8].
Začlenenie snímačov, kamier a pokročilých technológií, ako sú softvérovo definované siete (SDN) a 5G, má prvoradý význam pre zvýšenie bezpečnosti v sieťach VANET. Táto prispôsobivosť vyvíjajúcim sa komunikačným potrebám zabezpečuje pohodu cestujúcich a stavia siete VANET do pozície kritickej súčasti budúcich inteligentných dopravných systémov.
Literatúra
[1] SINDHWANI, Manoj, et al. Soft Computing Techniques Aware Clustering-Based Routing Protocols in Vehicular Ad Hoc Networks: A Review. Applied Sciences, 2022, 12.15: 7922.
[2] DIXIT, Mayank; KUMAR, Rajesh; SAGAR, Anil Kumar. VANET: Architectures, research issues, routing protocols, and its applications. In: 2016 international conference on computing, communication and automation (ICCCA). IEEE, 2016. p. 555-561.
[3] YEFERNY, Taoufik; HAMAD, Sofian. Vehicular ad-hoc networks: architecture, applications and challenges. arXiv preprint arXiv:2101.04539, 2021.
[4] LIANG, Wenshuang, et al. Vehicular ad hoc networks: architectures, research issues, methodologies, challenges, and trends. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2015, 11.8: 745303.
[5] WANG, Ziran, et al. A digital twin paradigm: Vehicle-to-cloud based advanced driver assistance systems. In: 2020 IEEE 91st Vehicular Technology Conference (VTC2020-Spring). IEEE, 2020. p. 1-6.
[6] EL MARAI, Oussama; TALEB, Tarik; SONG, JaeSeung. Roads infrastructure digital twin: A step toward smarter cities realization. IEEE Network, 2020, 35.2: 136-143.
[7] ALALEWI, Ahmad; DAYOUB, Iyad; CHERKAOUI, Soumaya. On 5G-V2X use cases and enabling technologies: A comprehensive survey. Ieee Access, 2021, 9: 107710-107737.
[8] BALEN, Josip, et al. Survey on using 5G technology in VANETs. In: 2022 45th Jubilee International Convention on Information, Communication and Electronic Technology (MIPRO). IEEE, 2022. p. 442-448.
Použité skratky
AI – Artificial Intelligence (Umelá inteligencia)
AU – Application Unit (Aplikačná jednotka)
C-RAN – Cloud Radio Access Network (Cloudová rádiová prístupová sieť)
DSRC – Dedicated Short-Range Communications (Vyhradená komunikácia krátkeho dosahu)
DT – Digital Twin (Digitálne dvojča)
DTB – Digital Twin Boxes (Digitálne dvojča)
eMBB – Enhanced Mobile Broadband (Vylepšené mobilné širokopásmové pripojenie)
eMTC – Enhanced Machine Type Communication (Vylepšená komunikácia pre strojový typ)
FD – Full-Duplex (Plný duplex)
HS – Hot Spot (Aktívny bod)
LHT – Link-aware High data Transmission (Vysoký prenos dát na základe prepojenia)
MANET – Mobile Ad-Hoc Network (Mobilná ad-hoc sieť)
MEC – Multi-Access Edge Computing (Výpočet na okraji s viacerými prístupmi)
MEC – Multi-Access Edge Computing (Výpočtová technika na hranici s viacerými prístupmi)
mMTC – Massive Machine Type Communication (Hromadná komunikácia strojového typu)
mmWave – Millimeter Wave (Milimetrové vlny)
NB-IoT – Narrowband Internet of Things (Úzke pásma pre Internet vecí)
NFV – Network Functions Virtualization (Virtualizácia sieťových funkcií)
NOMA – Non-Orthogonal Multiple Access (Neortogonálny viacnásobný prístup)
OBU – On-Board Unit (Palubná jednotka)
RAN – Resource Area Network (Sieť oblasti zdrojov)
RSU – Roadside Unit (Jednotka na okraji cesty)
SD – Software defined (Softvérovo definované)
SDN – Software Defined Networks (Softvérovo definované siete)
SDN – Software Defined Networks (softvérovo definované siete)
TMC – Traffic Management Centre (Centrum riadenia dopray)
URLLC – Ultra-Reliable Low Latency Communication (Ultra-odolná komunikácia s nízkou latenciou)
V2C – Vehicle-to-Cloud (Vozidlo-cloud)
V2I – Vehicle-to-Infrastructure (Vozidlo-infraštruktúra)
V2V – Vehicle-to-Vehicle (Vozidlo-vozidlu)
V2X – Vehicle-to-Everything (Vozidlo-všetko)
VANET – Vehicular Ad-Hoc Network (Vozidlová ad-hoc sieť)
WiFi – Wireless Fidelity (Bezdrôtová Wi-Fi sieť)
Preskúšaj sa v TESTE.