Connectivity and Decentralized QoS Provisioning in Vehicular Networks [Elektronische Ressource] / Robert Nagel. Gutachter: Jörg Eberspächer ; Sandra Hirche. Betreuer: Jörg Eberspächer

Description

Technische Universität MünchenLehrstuhl für KommunikationsnetzeConnectivity and Decentralized QoSProvisioning in Vehicular NetworksDipl.-Ing. Univ. Robert NagelVollständiger Abdruck der von der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Tech-nischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)genehmigten Dissertation.Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas JossenPrüfer der Dissertation: 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Eberspächer2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Sandra HircheDie Dissertation wurde am 16. Dezember 2010 bei der Technischen Universität München ein-gereicht und durch die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik am 17. Mai 2011angenommen.AbstractThe introduction of wireless ad-hoc networks in vehicles will significantly enhance safety andcomfort of driving in the future. However, as of today, we find many important issues re-garding the choice of an appropriate networking technology and concerning application de-sign unanswered. This thesis presents an open mathematical framework that allows for aholistic analysis of network performance in arbitrary road traffic situations, so that relevantparameters can be identified and optimized. Based on this analysis, a novel QoS algorithmfor distributed wireless networks is introduced that guarantees a defined service level andallows the adaptation of applications to networking conditions at runtime.

Sujets

• Informatik
• Handel

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• Publié le: 01 janvier 2011
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Extrait

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
institutionsmuseumoftelephony,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