Selbstorganisierende Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (PDF)

Mit dem Ausbau des Straßennetzes und dem Anstieg der Verkehrsdichte werden Verkehrsinformationssysteme, zur Steuerung und Optimierung des Verkehrsflusses, immer wichtiger. Hierbei kommt es auf die zeitliche Aktualität der Verkehrsnachricht an, um auf momentane Verkehrsverhältnisse rechtzeitig reagieren zu können. Bei konventionellen Systemen können Verkehrsinformationen nur dort gesammelt werden, wo Straßensensoren vorhanden sind. Hinzu kommt, dass die über Radiofunk verbreiteten Verkehrsnachrichten oft nur mit Verzögerungen von bis zu dreißig Minuten empfangen werden, in der sich die Verkehrsverhältnisse geändert haben können.

Das untersuchte Self-Organizing Traffic Information System (SOTIS) basiert auf einer Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation. Bei diesem System übernimmt jedes Fahrzeug die Aufgabe eines mobilen Straßensensors, indem es die momentan gefahrene eigene Geschwindigkeit misst. In jedem Fahrzeug befinden sich zusätzlich ein Satellitennavigationsempfänger, eine digitale Karte und eine Kommunikationseinheit. Dadurch können gemessene Geschwindigkeiten bestimmten Straßenabschnitten zugeordnet und diese Nachricht an alle Verkehrsteilnehmer in der lokalen Umgebung per Funksystem übertragen werden. Durch Berechnung der mittleren Geschwindigkeit kann bereits eine aktuelle Verkehrssituation in jedem individuellen Straßensegment quantitativ ermittelt werden. Die Untersuchungen zeigen, dass SOTIS bei geringen Fahrzeugausstattungsraten von zehn Prozent Verkehrsnachrichten aus fünfzig Kilometer Entfernung mit einer Verzögerung von zehn Minuten empfängt. Damit übertrifft das Fahrzeug-zu-Fahrzeug basierte Kommunikationssystem konventionelle Verkehrsinformationssysteme schon in einer Einführungsphase. Hinzu kommt, dass durch die Verteilung der Fahrzeuge Verkehrssituationen flächendeckend ermittelt werden können.

Der Schwerpunkt der wissenschaftlichen Arbeit ist die Untersuchung der SOTIS Kommunikation unter sehr hohen Ausstattungsraten. Unter diesem Gesichtspunkt wird der Funkkanal stärker ausgelastet, weil eine Vielzahl von Fahrzeugen Datenpakete übertragen. Verkehrsnachrichten werden in diesem Fall mit sehr geringen Verzögerungszeiten, auch aus großen Entfernungen, empfangen. Das Kanalzugriffsprotokoll Carrier-Sense Multiple Access/ Collision Avoidance (CSMA/CA) koordiniert die fahrzeugübergreifende Kommunikation. Ausgehend von einer festen Systemdatenrate kann CSMA/CA, bei hoher Verkehrsdichte, den Kanalzugriff über die Fahrzeuge gleichmäßig verteilen. Mit steigender Anzahl von SOTIS Fahrzeugen kann der Kanalzugriff nicht mehr gleichmäßig verteilt werden, und es kommt zu lokalen Überlastungen des Funkkanals. Dies führt dazu, dass SOTIS Datenpakete mit größeren Verzögerungszeiten empfangen werden und somit die Verkehrsnachrichten an zeitlicher Aktualität verlieren. Ziel ist die Steuerung der Kanalauslastung durch Einstellung der Sendeleistung in jedem Fahrzeug. Dazu misst jedes Fahrzeug die lokale Auslastung des Radiokanals. Die Kanalauslastung gibt dabei die tatsächliche Kommunikationslast des CSMA/CA Protokolls wieder, während die Kanalbelegung sich direkt aus der Anzahl der Fahrzeuge bestimmt.
Zur Senkung der erhöhten Kanalauslastung werden zwei Verfahren zur Anpassung der Sendeleistung eines Fahrzeugs untersucht. Im Wesentlichen wird durch die Senkung der Sendeleistung ein geringerer Sende- und Empfangsradius erzeugt, welches zu einer lokalen Senkung der Kanalauslastung führt. Wie eine konstante Anpassung der Sendeleistung über alle Fahrzeuge erreicht werden kann, ist eine der Fragestellungen dabei. Das selbstorganisierende Systemverhalten stellt hier die Herausforderung an die Steuerung der Kanalauslastung. Beide Verfahren erreichen eine Senkung der Kanalauslastung und eine geringe SOTIS Nachrichtenverzögerung. Durch Anpassung der Sendeleistung wird der Radiokanal des Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikationssystems niemals überlastet.