Connectivity and Decentralized QoS Provisioning in Vehicular Networks [Elektronische Ressource] / Robert Nagel. Gutachter: Jörg Eberspächer ; Sandra Hirche. Betreuer: Jörg Eberspächer
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Publié le
01 janvier 2011
Nombre de lectures
45
Poids de l'ouvrage
8 Mo
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TLehrstuhlechnischefürUniversitätKommunikationsnetzeMünchen
ProConnectivityvisioninginandVDecentrehicularalizNetwedorQoSks
NagelRobert.UnivDipl.-Ing.
VnischenollständigerUniversitätAbdruckMünchendervonzurderFakultätErlangungElektrdesotechnikakademischenundGradesInformationstechnikeinesderTech-
Dissertation.genehmigten
(Dr-IngenieursDoktor.-Ing.)
Vorsitzender:Univ.-Prof.Dr.-Ing.AndreasJossen
PrüferderDissertation:1.Univ.-Prof.Dr.-Ing.JörgEberspächer
2.Univ.-Prof.Dr.-Ing.SandraHirche
DieDissertationwurdeam16.Dezember2010beiderTechnischenUniversitätMünchenein-
gereichtunddurchdieFakultätfürElektrotechnikundInformationstechnikam17.Mai2011
angenommen.
actAbstrTheintroductionofwirelessad-hocnetworksinvehicleswillsignificantlyenhancesafetyand
comfortofdrivinginthefuture.However,asoftoday,wefindmanyimportantissuesre-
garsigndingunanswerthechoiceed.ofThisanthesisapprpropriateesentsannetworkingopentechnologymathematicalandframeworkconcerningthatapplicationallowsforde-a
holisticanalysisofnetworkperformanceinarbitraryroadtrafficsituations,sothatrelevant
parameterscanbeidentifiedandoptimized.Basedonthisanalysis,anovelQoSalgorithm
forallowsthedistributedadaptationwirelessofnetworksapplicationsisintrtooducednetworkingthatconditionsguaranteesatardefineduntime.Itserviceisshownlevelhowand
thealapplicationsgorithmcancanbenefitcomplementfromthisedbyfuturinformation.enetworkFinally,atopologyprototprypicalediction,andintegrationdiscussedofwirhoweless
networkinginanexistingsoftwarearchitectureforcognitivevehiclesisintroduced.
assungurzfKDieKomfortEinführdesungReisensdrahtloserdeutlichKsteigern.ommunikationJedochzwischensindnochvieleFahrzeugenFragenwirddiebezüglichSicherderheitundAuswahlden
einerdieserArbeitgeeignetenwirdeinmathematischesKommunikationstechnologieRahmenwerkunddesvorEntwurfsgestellt,vondasdieAnwendungenganzheitlicheoffen.Ana-In
lysederLeistungsfähigkeitdrahtloserNetzeinbeliebigenStrassenverkehrsszenarienermög-
den.licht.BasierDadurendchaufkönnenderrvorherelevantegegangenenParameterAnalyseidentifiziertderAnforundderfürungendenundEinsatzverfügbaroptimiertenTwerech--
nologienwirdeinneuartigerQoSMechanismusfürdrahtloseNetzevorgestellt,deresermög-
licht,sowohlanwendungsseitigeinedefinierteDienstgütezugarantierenalsauchdienetzre-
levantenParametervonAnwendungenzurLaufzeitandenZustanddesNetzesanzupassen.
Dergienergänzt.MechanismusEswirwirddumgezeigt,einVwieerfahrdieseenzurVorInformationhersagezukünftigergewinnbringendmöglicheranAnwendungenNetztopolo-
zurückgeführtKommunikationwerindeneinerkann.existierendenAbschließendSoftwarwireardchiteineprekturfürototypischekognitiveIntegrationFahrzeugedrahtloservorge-
stellt.
ii
NI
LOVINGMEMORYOFMYFATHER,
FRIEDRICHERIK
DEDICATED
OT
YM
AF
MIYL
Preface
Foremost,IwouldliketoexpressmygratitudetomyadvisorProfessorDr.JörgEberspächer,
forlibertyliterallytofreelybeingpursuewhatismyrcalledesearachanddoctoralthefatherrightinimpulsesGerman.attheHerightgavemetimes.theIalwaysnecessaryap-
prdedicationeciatedhistopeoplecounselandandhisscientificreliablework,supporthehasinbecomechallengingaroleandmodeltoturbulentme.situations.Inhis
MydoctoralfamilyattheInstituteofCommunicationNetworks(LKN)atTechnischeUni-
ForversitättheirMünchenencouragement,hasprtheovidedmeinvaluablewithapleasant,discussions,prandoductive,–ofandcourse–inspiringfortheenvirgoodonment.times
towehadthankandMichaelthefriendshipsEichhorn,Drthat.StehavephandevelopedEichler,Dr.duringMoritzmyfiveKiese,yearsDr.atGeraldLKN,IwouldKunzmann,like
SilkeMeister,ChristianMerkle,myofficemateBerndMüller-Rathgeber,MartinPfannenstein,
Dr.RobertPrinz,MatthiasScheffel,ChristophSpleiß,Dr.RobertVilzmann,Dr.Hans-Martin
Zimmermann,andDr.StefanZöls.
Dr.MartinMaier,ouradministrativegenie,masterofthethousandwindows,andRedBaron
tobe,deservesmygratitudeformakingpracticallyeverythingpossibleandsimplyforbeing
agoodpal.Manythanksgotooursecretaryandgoodfairy,SabineStrauss,forheropen
earstechnicalandissuesconsolationandforintimesteachingofmeneed.theIowemysteriesThomasofofWfsideillysituations.KurzhalsforAshisthesupportcuratorofwithour
institutionsmuseumoftelephony,itwasapleasureformetoworkwithHelmutR-Relay
Edlinger,whodeeplyimpressedmewithhispassionforantiquatedtelephoneexchangesand
taughtmethebeautyofsimplicity.
Amongnumerousstudents,IwouldliketoespeciallythankStefanMorscherforhisvaluable
work.scientificmytocontributionLastbutnotleast,Iwouldliketoexpressmydeepestgratitudetomyfamilyandespecially
mylovingpartnerMartinfortheirendlesssupportandunderstanding.Ioweyoualot.
v
vi
Contents
oductionIntr1.1.1.Motivation........................................
1.2.Contributions......................................
1.3.Organization.......................................
2.CooperationBetweenVehicles:ScenariosandRequirements
2.1.CooperativeApplications...............................
2.1.1.CooperativePerception............................
2.1.2.CooperativeBehavior.............................
2.1.3.Otherformsofcooperation..........................
2.2.WirelessCommunicationTechnologies........................
2.2.1.IEEE802.11WirelessLocalAreaNetwork(WLAN)............
2.2.2.IEEE802.11pandtheWAVEDSRCStack..................
2.2.3.CellularNetworks...............................
2.2.4.OtherTechnologies...............................
2.3.Conclusion........................................
3.ConnectivityinVehicularAd-HocNetworks
3.1.RelatedWork......................................
3.2.ChannelModels.....................................
3.2.1.PathLoss....................................
3.2.2.Large-Scale(Shadow)Fading.........................
3.2.3.Small-Scale(Multipath)Fading........................
3.2.4.VehicularChannelModelsintheLiterature.................
3.3.SpatialNodeDistributionandMobilityModels...................
3.3.1.TheRandomDirectionModel.........................
3.3.2.VehicularMobilityModels..........................
3.4.NodeDegree.......................................
3.4.1.Geometry....................................
3.4.2.DistanceHeadways..............................
3.4.3.Discussion....................................
3.5.LinkLifetime......................................
3.5.1.Geometry....................................
3.5.2.VelocityDistributions.............................
3.5.3.Discussion....................................
3.6.LinkGenerationandLinkBreakRate........................
3.6.1.Geometry....................................
3.6.2.Discussion....................................
3.7.Conclusion........................................
4.QoSAnalysisandProvisioninginVehicularAd-HocNetworks
133478811121213141617171919202225262930313238384143515252536164666971
vii
Contents
4.1.RelatedWork......................................71
4.2.NetworkModel.....................................73
4.2.1.ConnectivityMatrix..............................73
4.2.2.TrafficVector..................................74
4.3.MediumAccessProtocols...............................76
4.3.1.CollisionRecoveryProtocols.........................79
4.3.2.CollisionAvoidanceProtocols........................80
4.3.3.802.11(e)DistributedCoordinationFunction(DCF)andEnhancedDis-
tributedChannelAccess(EDCA).......................81
4.3.4.Reservation-BasedProtocols.........................82
4.3.5.Discussion....................................83
4.4.ProvidingQualityofService(QoS)inContention-BasedNetworks.......86
4.4.1.GlobalTrafficLimitsDetermination.....................86
4.4.2.DistributedTrafficLimitsDetermination..................87
4.4.3.Admittedtrafficandloaddistribution....................88
4.4.4.Stubnodes....................................93
4.4.5.Fairness.....................................95
4.5.ApplicationSelectionandParameterization.....................98
4.6.Conclusion........................................99
5.PredictiveQoSProvisioninginVehicularAd-HocNetworks101
5.1.RelatedWork......................................102
5.2.ProblemStatement...................................104
5.3.MobilityPrediction...................................105
5.3.1.Concept.....................................105
5.3.2.SpeedPrediction................................106
5.3.3.DistanceCalculation..............................109
5.3.4.PositionPrediction...............................110
5.3.5.SimulativeEvaluationofSpeedandPositionPredictionAccuracy....111
5.4.ChannelParameterEstimationandPrediction...................118
5.5.ConnectivityPrediction................................124
5.6.ConclusionsandOutlook...............................125
6.ASystemArchitectureforCooperativeCognitiveTechnicalSystems129
6.1.ALightweightNetworkLayerProtocol.......................129
6.1.1.RadioAsASensor...............................130
6.1.2.TimingMeasurement..............................131
6.1.3.Identification..................................132
6.2.TheCommunicationManager.............................132
6.2.1.NetworkTopologyInformation........................132
6.2.2.Time-triggeredCommunication.......................133
6.2.3.Event-triggeredApplications.........................136
6.2.4.SystemIntegration...............................138
