V2X communication in heterogeneous networks

Future intelligent transport systems will be based on digital networking of vehicles and infrastructure for mutual information exchange. This will enable many new applications to increase traffic safety and efficiency as well as new comfort services. How digital networking should look in concrete terms is now being researched from different directions. The basis will be wireless communication systems. So much is clear. However, there are mainly the two possibilities of ad hoc networks with purely decentralized communication as well as cellular mobile networks with existing infrastructure. The present paper examines heterogeneous solutions in which both communication systems exist. Accordingly, it is possible for the two communication systems to complement each other sensibly in certain scenarios in order to fill corresponding technological gaps. In principle, the various applications also have different characteristics and requirements for communication technology. For example, in traffic safety and efficiency applications there is an information exchange between many endpoints, while personal comfort applications are generally limited to two points, the client and the server. Tolerable communication latencies are more strict for security than for efficiency applications and so on. For these reasons, this work begins with a classification of planned ``Day One'' applications and current application trends. In addition, a technical assessment metric is introduced, in particular to enable the comparison of the mobility-related applications. The main part of this thesis deals with the simulative comparison of heterogeneous ad hoc and cellular communication approaches. The V2X Simulation Runtime Infrastructure (VSimRTI) is improved and expanded in different ways. Since the modeling of the radio signal propagation has a great influence on the communication characteristics for ad hoc networks, the simulation environment is extended. On the one hand, an approach to the deterministic simulation of buildings and their shading effects is developed. On the other hand, advanced models are presented which statistically model the relevant fading and shadowing effects. An approach is also being developed for the modeling of cellular communication, namely a completely new simulator VSimRTI_Cell. A complete mobile network can be very complex. Therefore, a simulation setup that models each individual node of the system individually would quickly reach its limits in larger vehicle scenarios. For this reason, VSimRTI_Cell offers an efficient abstraction for the modeling of an entire mobile network, i.e. both the radio access network and the core network. The last part of this work combines the previous work packages in a simulation study. This study analyzes reference applications for the most important classes of traffic safety and efficiency applications using the proposed assessment metric CCP. The applications are not only investigated in isolated scenarios, but are simulated together in a heterogeneous scenario to investigate the interactions of ad hoc and cellular communication technologies.

Zukünftige intelligente Transportsysteme werden auf der digitalen Vernetzung von Fahrzeugen und Infrastruktur zum gegenseitigen Informationsaustausch basieren. Dadurch werden viele neue Anwendungen zur Steigerung von Verkehrssicherheit und Effizienz, aber auch neuen Komfortdienste ermöglicht. Wie die digitale Vernetzung konkret aussehen soll, wird heutzutage aus verschiedenen Richtungen erforscht. Die Grundlage werden drahtlose Kommunikationssysteme bilden. Soviel ist klar. Jedoch gibt es hier vor allem die beiden Möglichkeiten von Ad-hoc-Netzwerken mit rein dezentraler Kommunikation sowie zellulare Mobilfunknetze mit existierender Infrastruktur. Die vorliegende Arbeit untersucht heterogene Lösungen, bei denen beide Kommunikationssysteme existieren. Dementsprechend ist es möglich, dass sich die beiden Kommunikationssysteme in bestimmten Szenarien sinnvoll ergänzen, um entsprechende technologische Lücken zu füllen. Grundsätzlich weisen die verschiedenen Anwendungen auch unterschiedliche Eigenschaften und Anforderungen an die Kommunikationstechnik auf. Beispielsweise gibt es bei Verkehrssicherheits- und Effizienzanwendungen ein Informationsaustausch zwischen vielen Endpunkten, während persönliche Komfortanwendungen in der Regel auf zwei Punkte, den Client und den Server, beschränkt sind. Tolerierbare Kommunikationslatenzen sind für die Sicherheit strenger als für Effizienzanwendungen. Aus diesen Gründen beginnt diese Arbeit mit einer Klassifizierung geplanten "Tag Eins"-Anwendungen und aktuellen Applikationstrends. Darüber hinaus wird eine technische Bewertungsmetrik eingeführt, um insbesondere den Vergleich der mobilitätsbezogenen Anwendungen zu ermöglichen. Der Hauptteil dieser Arbeit befasst sich damit den simulativen Vergleich von heterogenen Ad-hoc- und zellularen Kommunikationsansätzen zu ermöglichen. Dafür wird die V2X Simulation Runtime Infrastructure (VSimRTI) auf unterschiedliche Weise verbessert und erweitert. Weil für Ad-hoc-Netze besonders die Modellierung der Funksignalausbreitung einen großen Einfluss auf die Kommunikationseigenschaften hat, wird die Simulationsumgebung dahingehend erweitert. Zum einen wird ein Ansatz zur deterministischen Simulation von Gebäuden und ihren Abschattungseffekten entwickelt. Zum anderen werden erweiterte Modelle vorgestellt, welche die relevanten Fading- und Shadowing-Effekte statistisch modellieren. Auch für die Modellierung von zellularer Kommunikation wird ein Ansatz entwickelt, und zwar ein neuer Simulator VSimRTI_Cell. Ein komplettes Mobilfunknetz kann sehr komplex sein. Deshalb würde ein Simulationsaufbau, der jeden einzelnen Knoten des Systems einzeln modelliert, in größeren Fahrzeugszenarien schnell seine Grenzen erreichen. Deswegen bietet der VSimRTI_Cell eine effiziente Abstraktion zur Modellierung eines gesamten Mobilfunknetzes, also sowohl Zugangsnetz als auch Kernnetz. Der letzte Teil dieser Arbeit vereint die vorangegangenen Arbeitspakete in einer Simulationsstudie. Diese Studie analysiert Referenzanwendungen für die wichtigsten Klassen von Verkehrssicherheits- und Effizienz-Anwendungen unter Verwendung der vorgeschlagenen Bewertungsmetrik CCP. Die Anwendungen werden nicht nur in isolierten Szenarien untersucht, sondern zusammen in einem heterogenen Szenario simuliert, um die Wechselwirkungen von Ad-hoc- und zellularen Kommunikationstechnologien zu erforschen.