Performance Evaluation of IEEE802.15.4 for V2V

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平成27年度後期英語論文ゼミ
岩手県立大学大学院 ソフトウェア情報学研究科 博士後期課程1年
情報環境デザイン学講座 2362015001 伊藤健太
Performance Evaluation of IEEE802.15.4 for V2V
Communication in VANET
Sishan Wang, Airong Huang, Tao Zhang
School of Electrical and Information Engineering Hubei University of Automotive
Technology Shiyan, China
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

本論文では，IEEE802.15.4を用いた車車間通信のための応用的
なソリューションを提供

IEEE802.15.4-2006に準拠した2.4GHZ帯で動作，250kbpsの転送速度

通信範囲を拡大するためにFront End Module (FEM)を追加

Receiver Input Power (RIP), Packet Error Rate (PER), 通信範囲を実験
データに基づいて評価
Vehicular Ad Hoc Network (VANET)

道路の安全性の改善，道路交通の最適化が可能

2つの通信…Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Infrastructure (V2I)

車両は無線ルータまたはノードとして機能

およそ100~300m離れた他車と接続

いくつかの車両が信号範囲から外れたりネットワークからドロップアウトしたり
すると，モバイルインターネットが維持されるように他車が参加できる
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
IEEE802.11p




VANETにおけるV2V通信




動的なモビリティにおける車両間の簡単かつ効果的な通信のためのwireless
access in vehicular environments (WAVE) を追加するためにIEEE 802.11
規格に承認された改正
IEEE802.11pはまだ研究段階
ハードウェアが市場に稀であるため，実用的なアプリケーションは非常に少ない
交通状態，車両事故に関する情報を送信するために使用可能
100~300mの通信範囲，モビリティ，マルチホップサポート，…
Wireless Sensor Network (WSN)と類似
IEEE802.15.4




WSNに広く用いられる
デバイス間の低コストで低速度ユビキタス通信に焦点を当てるwireless personal
area network (WPAN)
基本的なフレームワークは250kbpsの通信速度と10mの通信範囲
V2V通信に用いることが出来る
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
IEEE 802.15.4トランシーバ

V2V通信を実現するための問題点として，通信範囲，ルーティング，チャネル
利用

最大送信電力は一般的に0~3dBm, 最大通信距離は70~100m

V2V通信の要件を満たすことが出来ない

通信範囲を拡大するためにFEMの追加が必要

送信電力，信号の受信感度の向上，受信信号の増幅
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
ハードウェア実装

固定周波数における通信距離に影響を与える主な要因かつ変更可能な要因…
送信電力，送受信アンテナ利得，受信感度

これらの要因を調整することにより転送範囲を増加


送信電力増加が通常用いられる…消費電力，干渉，ノイズなどの問題
送信電力増加+高利得アンテナ

小サイズ，低コスト，容易な実装，追加の電力消費なし

AT86RF231 (Atmel社製)

RF6505


低消費電力2.4 GHz無線トランシーバ
2.4GHzから2.5GHz帯のWi-FiとZigBeeアプリケーションのために単一のFEMでの完
全なソリューションを統合

MCU (Micro Control Unit)

PCB (Printed Circuit Board)

アンテナ
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
MCUとAT86RF231はSPIインターフェースで， AT86RF231とRF6505はイン
ピーダンス100Ωで接続

AT86RF231はRF6505の送受信ステータスとデジタルIOポートを用いたアン
テナ選択を制御

2.4GHzの信号がAT86RF231とRF6505, RF6505とアンテナとの間で送信さ
れる

PCB上の伝送信号の速度が100MHzのより高いときPCBトレースは伝送経
路とみなされる

伝送経路の特性インピーダンスZ0に影響を与える

AT86RF231とRF6505, RF6505とアンテナとの間の整合インピーダンスはそ
れぞれ100Ωと50オーム

インピーダンス整合の要件を満たすためにPCBトレースのZ0を調整する必要

PCBトレースの幅，銅の厚さ，誘電率，パッドの厚さ，グランド・パスがZ0に影響
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
Z0は(1)式で与えられる

(2)式は幅とPCBスタックの厚さの比によって補正された誘電率

誘電率εrは4.6

PCBトレースの幅は42milと12mil

0.6mmデュアルパネルPCB技術を使用

伝送経路の特性インピーダンスはそれぞれ50Ωと100Ω

PCBトレースがPCBボード上でロスレス伝送経路だと仮定すると，損失値は
25dBm

自由空間における伝送損失は(5)式より決定され，2.4GHz信号の通信範囲
は371~383メートル
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
ソフトウェア実装

図1のソフトウェアフレームワークは2つの部分に分割可能

レジスタの読み書き…SPIの初期化，GPIOの初期化，レジスタおよびサブレジス
タの読み書き，状態制御

MACフレーム処理…アプリケーションレイヤのIEEE 802.15.4プロトコルデータフ
レーム送受信インタフェース

車車間マルチホップ通信はブロードキャストルーティングネットワークに基づく

無線マルチホップネットワークは固定インフラのない自己組織化ネットワーク

無線チャネルのフェージング，干渉，リンク共有はプロトコルレイヤ間で相互
に影響

リンクの共有，フェージング，干渉を減らすために自動再送機構を使用
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
アプリケーションシナリオ

高速道路での交通事故

後続の車両が事故を早期に把握する必要

自動または手動の警報システムが車両にインストールされている場合，場所
Aで事故が起きたとき，事故のタイプとAのGPS情報を含む緊急情報をブロー
ドキャストする

ポイントBはポイントAの通信範囲にいるので，緊急情報を受信，表示，転送
出来る

GPS情報は距離を計算するために使用

情報を道路や前後の車両にブロードキャストすることによって交通事故回避
につながる
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
結果分析

IEEE 802.15.4規格に基づき，64ビットアドレスを搬送するデータフレームの
最大ペイロードは102バイトであり，最大伝送レートが250kbpsである

IEEE 802.15.4の特性に応じていくつかのアプリケーション環境で実験
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
静的テスト

2台の車両

送信ノードと受信ノード

送信ノードを原点として固定

送受信ノード間の距離を変化させる

RIPは10mインターバルで測定

20パケット/秒で5000パケット

ノード間の通信範囲はRIPの重要性に応じて約350m

PERは送信パケットのロス率

ノードは350m以内で良好な受信性能を有することを示す

RIPが低ければPERが高くなる

静的テストの解析結果により，ハードウェア設計におけるFEM回路は設計要件を満たして
いることを示す

実際の無線通信距離と理論計算の通信距離の間にはほとんど違いがない


RIPは350m以内で-91dBm以上
PERが350m以内で0.1以下
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
動的テスト

ノードが高速である場合の通信性能の確認


静的テストと同一の道路や車両
送信ノードは固定，受信ノードは等速で送信ノードから離れる

最高速度は毎時70km (制限速度)

動的テストの距離は300m

PERは0.03以下

毎時70km未満ではほとんどのパケットに影響を与えないことを示す
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

まとめ

IEEE802.15.4プロトコルは緊急警報伝送のためのV2V通信で使用された

静的および動的テスト結果によると，IEEE802.15.4プロトコルは緊急警報伝
送システムにおいて良好な性能を有することを示す
課題

様々な交通状況のマルチホップアルゴリズムとブロードキャストストーム抑制
アルゴリズムの適用性をさらに検討する必要

GPRSまたは3G通信機器システムを付加

車両情報をインターネットに直接伝送

事故情報をリアルタイムにサービスセンターと共有
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
[1] S. Yousefi, M. S. Mousavi, and M. Fathy, "Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs):
challenges and perspectives," Proc. 6th International Conference on ITS
Telecommunications, IEEE Press, Jun. 2006, pp. 761-766.

[2] S. Zeadally, R. Hunt, Y. S. Chen, A. Irwin, and A.Hassan, “Vehicular Ad Hoc Networks
(VANETS): Status, Results, and Challenges,” Telecommun Syst, 2010, pp 217-241.

[3] J. Yin, T. ElBatt, G. Yeung, B. Ryu, S. Habermas, H.Krishnan, and T.Talty,
“Performance evaluation of safety applications over DSRC vehicular ad hoc networks.” In
Proc. of ACM workshop on Vehicular Ad Hoc Networks (VANET), 2004.

[4] A. Festag, A. Hessler, R. Baldessari, L. Le, W. Zhang and D. Westhoff, "Vehicle-toVehicle and Road-Side sensor communication for enhanced road safety,"
9thInternational Conference on Intelligent Tutoring Systems (ITS’08), Montreal,
Canada,2008.

[5] B. Jankuloska, M. Zahariev, A. Mateska, " Traffic Regulations Monitoring Using
VSNs," 17th Telecommunications forum TELFOR 2009, Serbia, Belgrade,2009.

[6] L. Li, L. Yuan-an, and T. Bi-hua “SNMS: an intelligent transportation system network
architecture based on WSN and P2P network”, The Journal of China Universities of
Posts and Telecommunications, vol. 14, no. 1, Mar. 2007.

[7] N. Yang, J. Liu and F. Zhao, "A Vehicle-to-Vehicle Communication Protocol for
Cooperative Collision Waring", MobiQuitous'04, 2004.
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Traffic Regulations Monitoring Using
VSNs
Bisera Jankuloska, Milan Zahariev, Aleksandra Mateska,
Vladimir Atanasovski, Student Member, IEEE, and Liljana Gavrilovska, Member, IEEE
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
本論文では，Vehicle Sensor Network (VSN)に基づく交通規制監
視ソリューションを提案

多くの交通事故の重要な理由の一つが交通規則違反

違反を検出するための効率的な方法を持つことは交通事故の削減とインテリ
ジェントなトラフィック管理を可能とする

道路規制監視はClosed-Circuit Television (CCTV)などのビデオ監視

VANETは車両用途の多種多様な開発のための手段を提供

VANETの拡張がVSN

様々なセンサを使用して道路車両の現象を検知し，関連するエンティティにセン
サデータを送信

VSNはユビキタスロードセンシング，多様なアプリケーション，規制警備を可
能とする

解決策は，車両環境からの効率的なデータ収集を提供し，関係当局に収集
した情報を発信するためのいくつかのセンサ技術を包含

既存のコンポーネントを利用
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
VSNベースのアプリケーションを現実世界で実装するために解決する必
要のある技術的な問題




Smart Road Monitoring (SRM)

効率的な交通規制監視のためのVSNベースアプリケーション

交通違反の検出を可能とし，適切な通知を提供するために固定インフラにおける
アドホックネットワークを持つ
システムの主要な機能



車両環境における動的トポロジは完全に機能するルーティングアルゴリズムの確
立やエンドツーエンドの接続性や拡張性の維持のような様々な技術的問題をうむ
消費電力は重要な問題ではない
道路規制のリアルタイム監視
ドライバーと当局へのルール違反と危険な状況の通知
SRMアプリケーションがサポートする道路規制監視



速度，一時停止，一方通行
プリクラッシュ信号化
単一の交差点に位置していることを前提
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
システムアーキテクチャ
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
通信プロトコル
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
機器

SunSPOTデバイスを備えたおもちゃの車…VN

SunSPOTは全ての処理を実行し，通信ユニットとして機能

IEEE802.15.4

LVMaxSonar EZ4 距離センサ…車両の前面

ServoTek Eseries タコメーター…右後輪

単純な回路は車両の運動状態に応じてトリガされる

HPサーバ…DC

GSM / GPRS…SMS送信のため
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

機器のプログラミング

SunSPOTはSquawk仮想マシンに基づきJavaで簡単にプログラム可能なデ
バイス

MIDletはVNとRSNのためのテストベッドの基礎を形成

DCではSQL Serverデータベースを使用

データベースに格納されたデータはGUIを介して監視出来る
実装の問題

ローカリゼーションおよびセンサ測定値の信頼性

交通規制の情報を逐次車両に提供することを達成するために，規則違反や
ローカライゼーションのための2つのアルゴリズムは，テストベッドと実際の車
両への実装，それぞれに適切に作成される

テストベッド…前の交差点に達したとき，車両が瞬時に情報を得られることを前提

実際の車両への実装…Radio Signal Strength Identifier (RSSI)を用いる
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
結果

先行車両との相対距離と速度を組み合わせて状況判断

通知ユーティリティとしてSunSPOTのLEDを使用
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
GUI
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
車両の速度のトレース
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
SMSによる通知
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
Eメールによる通知
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
本稿では交通規制の監視のためのVSNを利用したSRMアプリケーション
を提案

車両環境に関連するデータを交換するための４つの主要なエンティティで構成


今後の課題

基本的なSRMアプリケーションのさまざまな機能強化
大規模道路監視アプリケーションの一部として使用

IEEE802.15.4よりもIEEE802.11pを採用することにより利益を得られる





スケーラビリティ，データ配布，処理等の問題に対処
リアルタイムかつ迅速な通知を有効にすることにより，特定のデータの優先順位付け
を可能とする
ローカライゼーション技術(GPS, RFID)


VN, RSN, DC, AU
大規模エリアでの車両追跡
別の交通規制違反の可能性を判断するのに役立つ様々なセンサを追加すること
ができる
全ての道路が「スマート」に
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
[1] P. Papadimitratos, L. Buttyan, T. Holczer, E. Schoch, J. Freudiger, F. Kargl, Z. Ma, A. Kung and J.
Hubaux, “Secure Vehicular

Communication Systems: Design and Architecture,” IEEE Communications Magazine, November
2008.

[2] A. Festag, A. Hessler, R. Baldessari, L. Le, W. Zhang and D. Westhoff, “Vehicle-to-Vehicle and
Road-Side sensor communication for enhanced road safety,” 9th International Conference on
Intelligent Tutoring Systems (ITS’08), Montreal, Canada, 2008.

[3] M. Karpinski, A. Senart and V. Cahill, “Sensor Networks For Smart Roads”, Technical Report,
Trinity College Dublin, March 2006.

[4] Telegra Ltd. Design, “Integrating Video Surveillance”. Information available at (last accessed on
13/10/2009): http://www.telegraeurope.com/images/whitepaper/whitepaper_file_8_hr.pdf

[5] “Traffic and Road Environments,”. Information available at (last accessed on 13/10/2009):
http://www.videosurveillance.com/traffic.asp

[6] M. Nekovee, “Sensor networks on the road: the promises and challenges of vehicular ad hoc
networks and vehicular grids,” Workshop on Ubiquitous Computing and e-Research, Edinburgh, UK,
May 2005.

[7] S. Jaap, M. Bechler and L. Wolf, “Evaluation of Routing Protocols for Vehicular Ad Hoc Networks
in City Traffic Scenarios,” 5th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITS)
Telecommunications, Brest, France, June 2005.

[8] I. Stojmenovic, S. Giordano and Lj. Blazevic, “Position based routing algorithms for ad hoc
networks: a taxonomy,” White Paper, 2002. Information available at (last accessed on 13/10/2009):
http://www.site.uottawa.ca/~ivan/routing-survey.pdf
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
[9] J. Blum, “The Suitability of Inter-vehicle Ad hoc Networks for Safety - Critical Applications,”
October 2006. Information available at (last accessed on 13/10/2009)
http://www.scalablenetworks.com/events/qualnetworld/2006/06/blum.ppt

[10] Sun™ Small Programmable Object Technology (Sun SPOT) “Theory of Operation”, May 2007.

[11] Sun™ Small Programmable Object Technology (Sun SPOT) “Developer’s Guide”, October 2008.

[12] MaxBotix® Inc. “LV – MaxSonar EZ4 Datasheet”. Information available at:
http://www.maxbotix.com/

[13] SERVO – TEK Products company inc. “DC Tachometer Generators”, 2003. Information available
at: www.servotek.com

[14] K. Bilstrup, “A Survey Regarding Wireless Communication Standards Intended for a High-Speed
Vehicle Environment,” Technical Report, IDE0712, Halmstad University, February 2007.

[15] P. Brenner, “A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Protocol,” BreezCom, 1997. Information
available at: http://www.cs.uiuc.edu/homes/haiyun/cs598hl/papers/802-11tut.pdf

[16] A. Boukerche, H. A. B. F. Oliveira, E. F. Nakamura and A.F. Loureiro “Vehicular Ad Hoc Networks:
A New Challenge for Localization-Based Systems,” Elsevier Computer Communications, 2008.

[17] E. K. Lee, S. Yang, S. Y. Oh and M. Gerla, “RF-GPS: RFID Assisted Localization in VANETs”
IEEE MASS Workshop on Intelligent Vehicular Networks (InVeNET 2009), Macau, P.R.C., October
2009.
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