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Abstrakt in Englisch

The increasing use of information and communications technologies in transport systems enables close cooperation between road users. Especially in road traffic, the use of vehicle-to-vehicle or vehicle-to-everything (V2X) communication leads to a multitude of new applications. These range from driver information and warnings, driving recommendations at intersections with the aid of traffic light systems to the support for vehicle automation. After several years of research, development and standardization, a first V2X system (ITS-G5) based on a variant of Wi-Fi (IEEE 802.11) was developed, comprising an entire protocol stack. ITS-G5 uses a simple ad hoc communication mode with a random channel access mechanism. Packets are forwarded through geographic routing, which is achieved through single- and multi-hop communication over ITS-G5 links. At higher layers of the protocol stack, communication services exist that support applications and provide various message types for periodic and event-driven information. As a first step, this thesis evaluates existing cooperative intelligent transport systems (C-ITS) based on ITS-G5 as a baseline for further performance improvements. As an essential result of this initial study, one of the possible routing algorithms in the existing C-ITS – Contention-based Forwarding (CBF) – is selected as the default algorithm due to its performance. For high- and low-loads (channel load, vehicle density), all routing algorithms show a performance deterioration of packet reception in terms of reliability and latency. Therefore, the focus lies at high- and low-load scenarios. The existing algorithms and protocols are extended to improve their performance. Decentralized congestion control (DCC) mechanisms, adapted to the decentralized structure of ITS-G5, are used to avoid channel congestion and the corresponding performance deterioration. DCC adjusts a vehicle’s packet rate to keep the channel load below a predefined threshold, which is a portion of the total channel capacity. The packet rate is controlled by a Gatekeeper in the access layer, considering the measured channel load. The Gatekeeper introduces an additional delay in case of channel congestion that corresponds to a reduction of the packet rate. The additional delay negatively affects the functionality of CBF and causes a malfunction. This thesis examines multi-hop routing with CBF in connection with decentralized congestion control using the Gatekeeper and a rate control algorithm in a high channel load scenario. A Congestion-enabled Forwarding algorithm is introduced, in which routing and DCC are combined. With Congestion-enabled Forwarding, the functionality of CBF can be extended into high channel load scenarios. It also improves the performance for mixed data traffic with different priorities for single and multi-hop packets in terms of reliability and latency. The simulations are carried out in a freeway scenario. An analysis was used to numerically determine the packet rate and channel load for the malfunction of CBF. In addition, the analysis validated the simulation results. For low-load scenarios – low vehicle densities – just few nodes in the network exist that can forward the packet. These nodes have a low link quality due to the large distance between them. One possibility to increase the reliability of communication is the use of cooperative relaying (CoRe) with joint decoding (JD) (CoRe & JD). An extension of this scheme enables the forwarding of corrupted packets, which is referred to as “lossy forwarding”. This extension has numerous implications for the design of the communication system. Therefore, in this thesis the Enhanced-CBF algorithm is developed to apply CoRe & JD including lossy forwarding to an ad hoc network. Enhanced-CBF is simulated for two scenarios. The first scenario illustrates that the algorithm works, and the second scenario evaluates the usability for vehicular communication. The results show a performance improvement in terms of reliability. Additionally, the communication range is increased, which gives the driver additional time to react and perform driving manoeuvres in safety-critical situations.

Abstrakt in Deutsch

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.