Kit de Desenvolvimento de Software V2X

Uma Rede Veicular Ad Hoc (VANet) é uma rede efêmera criada espontaneamente por uma coleção de veículos conectados que estão próximos uns dos outros ou próximos a uma unidade de estrada conectada (RSU) similar. As comunicações são genericamente referidas como V2V para comunicações Veículo a Veículo, V2I para comunicações Veículo a Infraestrutura, ou, quando ambos estão operando juntos, comunicações V2X.

Existem muitas aplicações propostas para as comunicações V2X, a Arquitetura de Implementação de Referência de Veículo Conectado detalha mais de 100 dessas aplicações. A comunicação com a infraestrutura de lado da estrada é introduzida quando uma organização de gerenciamento de tráfego instala Unidades de Lado da Estrada (RSU) para monitorar as comunicações intra-veicular e usar essas informações para agir localmente, enviando mensagens para veículos conectados ou para agir para gerenciar a rede viária, agregando informações de múltiplas unidades de lado da estrada em um centro de gerenciamento de tráfego urbano ou regional.

Os casos de uso para testar as aplicações de VANets em simulação incluem:

• Dá maior conscientização aos veículos sobre a presença e intenções de outros veículos em proximidade e avalia os efeitos das mudanças no comportamento dos veículos em resposta a essas informações.
• Torna os veículos cientes da congestão local em sua rota imediata e avalia estratégias alternativas.
• Implementa colaboração ativa entre veículos.
• Implementa estratégias de gerenciamento de rede com base nos ricos dados derivados de veículos conectados.

Em todos os casos, a simulação pode ser usada para estudar o efeito da iniciativa em circunstâncias que incluem a variação da qualidade e alcance das comunicações e a penetração da conectividade na frota de veículos.

Canais de Comunicação

A simulação de uma rede de comunicações V2X para reproduzir com precisão a transmissão de cada pacote de dados, modelar a contenção de canais, a encapsulação de dados em protocolos de roteamento e conexão, e modelar os efeitos eletromagnéticos da paisagem urbana na transmissão é uma tarefa complexa que potencialmente requer recursos computacionais significativos. O princípio por trás do SDK V2X Aimsun Next é focar na aplicação das comunicações V2X conforme realizado nas ações de um Centro de Gerenciamento de Tráfego, as Unidades de Lado da Estrada e os veículos conectados individuais.

O Kit de Desenvolvimento de Sistemas V2X (SDK) incluído no Aimsun Next, portanto, implementa os componentes de um sistema de comunicações como um conjunto de módulos personalizáveis para gerenciar a transmissão e recepção de mensagens V2X. Os canais V2X simulam o meio de transmissão, na prática a tecnologia de rádio em uso, e as Unidades de Bordo em veículos e as Unidades de Lado da Estrada situadas na rede simulam os módulos de transmissão. As implementações padrão desses componentes V2X são uma representação simplificada da realidade; por exemplo, perdas de pacotes em uma transmissão de rádio são simuladas com uma probabilidade estocástica em vez de avaliar realmente quais pacotes específicos estão em contenção. Da mesma forma, o ato de ingressar e sair de uma VANet é simplificado ao assumir que é simplesmente uma função de alcance, em vez de ser estabelecido por um protocolo de associação negociado. Se os aspectos mais complexos das VANets forem vitais para o estudo em questão, então o design do SDK V2X permite que os componentes V2X padrão sejam substituídos por componentes fornecidos pelo usuário e código API escrito para fornecer a capacidade necessária para o estudo.

Tipos de Mensagens

As aplicações V2X também são uma área em desenvolvimento e, embora existam alguns tipos de mensagens que foram padronizados por agências da UE e americanas, há muitos outros em desenvolvimento. O SDK V2X, portanto, implementa uma classe de mensagem genérica que pode ser personalizada pelo programador do SDK para criar uma especialização dessa classe que implemente o novo tipo de mensagem a ser desenvolvido na simulação. Uma vez que o novo tipo de mensagem foi desenvolvido e adicionado à lista de tipos disponíveis, ele aparece nas listas de tipos de mensagens da interface do usuário e é distribuído para os veículos e unidades de lado da estrada dentro do alcance do veículo transmitente ou RSU.

Componentes do SDK V2X

Os componentes do SDK V2X no Aimsun Next são:

• Tipo de Mensagem: Os tipos de mensagens trocadas entre veículos e RSUs. O SDK V2X implementa alguns dos tipos de mensagens padronizados comuns e algumas mensagens genéricas. Quando novos tipos de mensagens são necessários para aplicações experimentais, estes podem ser adicionados ao SDK V2X usando os novos métodos de Mensagem na API V2X e passados entre veículos e RSUs da mesma forma que os tipos de mensagens existentes.

• Canal: O canal de comunicações é a representação simulada do hardware de rádio e protocolos que fornecem comunicações entre veículos. Normalmente, isso pode ser uma rede de comunicações baseada em célula 5G, ou um protocolo baseado em Wi-Fi, como IEEE 802.11p. O objeto de canal padrão no SDK V2X é um objeto simples de passagem de mensagens baseado em alcance, com uma probabilidade estocástica de transmissão bem-sucedida. Se o exercício de modelagem proposto exigir uma simulação mais detalhada do canal de comunicações; ou seja, o protocolo que determina como os veículos ingressam e saem de uma VANet ou como a intensidade do sinal varia com a geografia urbana, então um canal mais complexo pode ser programado e substituído pelo canal básico.

• Unidade de Bordo: A OBU fornece o receptor e transmissor em um veículo, com a proporção de veículos equipados com cada tipo de OBU definida no Tipo de Veículo. Cada OBU é capaz de usar um ou mais canais para receber um ou mais tipos de mensagem em cada canal.

• Unidade de Lado da Estrada (RSU): A RSU é o componente "I" da rede de comunicações Veículo a Infraestrutura (V2I). Uma RSU tem uma localização física, conexões com nós da rede viária, um conjunto de canais que é capaz de usar e um conjunto de tipos de mensagem que é capaz de transmitir e receber. Ela também pode se comunicar com um Centro de Gerenciamento de Tráfego como parte de uma rede de dispositivos semelhantes.

• Centro de Gerenciamento de Tráfego: O Centro de Gerenciamento de Tráfego é o agregador de dados de múltiplas RSUs e o iniciador de controle coordenado de semáforos e ações de gerenciamento de tráfego. Ele se comunica com as RSUs através de um tipo de canal separado, que pode agora ser baseado em links cabeados ou canais de rádio dedicados. Este provavelmente é um canal diferente do canal VANet.

A relação entre os componentes é mostrada abaixo. As múltiplas OBUs e RSUs trocam dados via um canal usando tipos de mensagens pré-definidos. As RSUs também podem trocar dados com um TMC em um tipo de canal diferente. Dependendo do alcance e da conectividade, os veículos então formam VANets ad-hoc com base em um canal comum.

Fluxo de Dados

Um fluxo de dados típico em um modelo desenvolvido para avaliar técnicas de gerenciamento de tráfego pode ser:

1. Os veículos trocam dados entre si e com uma RSU em uma área local usando mensagens padronizadas (ou seja, CAM, BSM) utilizando canais de comunicação compartilhados entre o tipo de OBU nos veículos e a RSU.
2. As RSUs realizam algum processamento local e emitem tanto mensagens padronizadas em sua área local (ou seja, DENM) nos mesmos canais de comunicação orientados para o veículo e também algumas mensagens agregadas específicas de fornecedor para o TMC em outros canais dedicados à comunicação de gerenciamento.
3. O TMC avalia as informações de múltiplas RSUs. Suas ações são retransmitidas para os veículos equipados na rede de tráfego através das RSUs e também implementadas usando controle de semáforos e ITS.
4. O "Motor de Regras do Veículo" pega os dados V2X de outros veículos e das RSUs e adiciona isso ao conhecimento existente do veículo sobre a rede de tráfego, retirado de semáforos, ITS e dos veículos em sua proximidade. O Motor de Regras então influencia o comportamento do veículo.

## Tipos de Mensagens

Os Tipos de Mensagens são um conjunto de mensagens V2X pré-definidas que podem ser trocadas entre veículos e RSUs. A lista inicial fornecida no SDK V2X abrange os padrões estabelecidos mais comuns, mas inevitavelmente, à medida que desenvolvimentos V2X são propostos e precisam ser testados em simulação, novos tipos de mensagens serão desenvolvidos. Esses novos tipos podem ser programados pelo modelador usando a API V2X, para personalizar um tipo de mensagem abstrata e, ao torná-la concreta, fornecer um formato para o tipo de mensagem e um conjunto de funções para criar a mensagem a ser enviada e para analisar mensagens desse tipo.

O conjunto de mensagens fornecido é:

• Mensagem de Consciência Cooperativa (CAM): A Mensagem de Consciência Cooperativa é definida pelo Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI) no padrão TS 302 637-2. A mensagem CAM fornece informações sobre a presença, atividade e posição das "Estações ITS", que podem incluir RSUs, bem como veículos. A mensagem consiste em um ou mais contêineres de informações: Estes incluem uma lista de contêineres de baixa frequência para informações estáticas, contêineres de alta frequência para informações dinâmicas e um conjunto de contêineres específicos de aplicação para informações especializadas (ou seja, veículos de emergência). Uma mensagem CAM é gerada de 1 a 10 vezes por segundo, dependendo da atividade da estação ITS.

• Mensagem de Notificação Ambiental Descentralizada (DENM): A Mensagem de Notificação Ambiental Descentralizada é definida pelo Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI) no padrão 302 637-3. Uma mensagem DENM contém informações sobre eventos ou condições que têm um impacto potencial na segurança viária ou nas condições de tráfego. Um evento é descrito por um tipo de evento, uma posição do evento, um tempo de detecção e uma duração. Uma mensagem DENM é tipicamente enviada após as estações ITS terem detectado condições que precisam ser relatadas, seja individualmente, ou após uma estação ter agregado dados das mensagens CAM de outros veículos. Por exemplo, uma mensagem DENM pode ser enviada para informar sobre congestionamento em uma área, um veículo estacionado ou um fechamento de faixa, após informações de várias mensagens CAM terem sido recebidas e processadas.

• Mensagem Estendida de Fase do Sinal e Cronometragem (SPATEM): A Mensagem Estendida de Fase do Sinal e Cronometragem é definida pelo Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI) no padrão 103 301. A mensagem SPATEM fornece informações sobre os tempos dos semáforos e os tempos previstos de mudança. A mensagem SPATEM é acompanhada por uma mensagem MAPEM para fornecer informações topológicas.

• Mensagem Estendida MAP (MAPEM): A Mensagem Estendida MAP é definida pelo Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI) no padrão 103 301. Seu propósito é definir a topologia da estrada e da faixa nas proximidades de uma interseção e fornece os dados necessários para decodificar uma mensagem SPATEM.

Canal V2X

Um canal representa um protocolo de comunicação usado para passar informações entre veículos e RSUs. Normalmente, isso é baseado em tecnologia de Wi-Fi de curto alcance, como IEEE 802.11p ou transmissão baseada em célula LTE.

Na prática, existem protocolos para ingressar e sair de uma rede de dados que um membro da rede deve seguir. Também existem protocolos para lidar com a congestão do canal, o que afeta a latência e as taxas de perda de pacotes quando o canal está ocupado e as mensagens entram em conflito entre si e são retransmitidas. Esses protocolos são específicos para cada tipo de tecnologia de canal. Da mesma forma, na transmissão física de pacotes de dados, existem diferentes fatores de atenuação para diferentes tecnologias à medida que as transmissões passam por edifícios ou através de paisagens. Modelar esse nível de detalhe é caro em recursos computacionais e, em muitas aplicações, esse nível de detalhe pode não ser apropriado.

Assim, no objeto de canal padrão codificado no SDK V2X, as características de um canal são simplificadas para se concentrar na confiabilidade e alcance da comunicação expressos como:

• Latência: O atraso na transmissão do pacote.

• Alcance: O alcance da transmissão, na prática determinando quais veículos se comunicam entre si. O alcance é definido como a distância medida entre veículos, independentemente de sua conectividade pela rede viária e independentemente de quaisquer obstáculos que possam afetar a transmissão.

• Perda de Pacotes: A porcentagem de pacotes que não são recebidos. Se esse valor for maior que 0%, então esse valor fornece a probabilidade de um pacote ser descartado, para simular não entrega.

A simulação detalhada da contenção de pacotes detalhados, dos protocolos de retransmissão ou de degradação baseada em utilização não é implementada neste canal de comunicações padrão. Se esse nível de detalhe for necessário na simulação, então um novo tipo de canal pode ser adicionado ao SDK V2X usando a API V2X para desenvolver canais com algoritmos mais complexos para determinar as características de transmissão e levar em conta os níveis de tráfego de rádio existentes, o efeito de edifícios urbanos e a colocação aérea.

Criar um Novo Canal

Um novo canal usando o tipo de canal padrão do SDK V2X pode ser criado a partir do menu Projeto. Selecione Projeto > Novo > V2X > Canal.

Canalizações diferentes desse tipo podem ser criadas para diferentes aplicações, cada uma das quais pode suportar um conjunto diferente de tipos de mensagem:

• Curto alcance, alta perda: - Comunicações V2V de rádio em uma área urbana lotada.
• Longo alcance, zero perda: - Comunicações baseadas em linha fixa entre RSUs e o TMC.

Um novo canal será criado na pasta Canais na seção V2X da Janela do Projeto.

Configurações do Canal

Para editar um canal, clique duas vezes sobre ele para abrir o editor de canal e editar seu nome e suas características de transmissão: latência, alcance e porcentagem de perda de pacotes.

Unidade a Bordo do Veículo

Uma Unidade a Bordo (OBU) é a representação em simulação do transmissor/receptor no veículo, é a ligação entre um veículo e as mensagens que ele transmite e recebe. Uma OBU pode se conectar a múltiplos canais e retransmitir diferentes tipos de mensagem em cada canal.

Uma nova OBU pode ser criada a partir do menu Projeto e editada para especificar quais canais e mensagens estão disponíveis. Se um canal for marcado no editor OBU, e selecionado na lista de canais marcados, então tipos de mensagem podem ser selecionados para esse canal.

A OBU está vinculada ao tipo de veículo no Editor de Tipos de Veículo, Aba V2X onde a proporção de veículos de cada tipo, com cada OBU é especificada.

Unidade de Lado da Estrada

Uma Unidade de Lado da Estrada (RSU) é um dispositivo físico que se comunica através dos mesmos canais que as OBUs dos veículos e troca as mesmas mensagens, mas está ancorada em um local específico e possui um alcance de comunicação definido. As comunicações são recebidas de veículos equipados com uma OBU compatível que estão atualmente dentro da área definida da RSU. Uma RSU pode ser conectada a um ou mais nós na rede, de modo que o código da API anexado a cada RSU possa acessar os nós especificamente ligados a esta RSU.

Criando e Localizando uma RSU

Uma RSU é criada usando a ferramenta RSU. Selecione a ferramenta, clique no mapa 2D para definir a localização da RSU e desenhe um círculo até o raio necessário. Uma vez criada, a posição da RSU pode ser ajustada selecionando o ponto central e movendo-o, e seu alcance selecionando seu limite circular e redimensionando-o.

Editando uma RSU

O editor de RSU aloca canais e mensagens à RSU da mesma forma que a OBU para um veículo. Esses canais e mensagens definem a troca de dados entre os veículos e a infraestrutura de gerenciamento. Note que o conjunto de mensagens trocadas entre RSU e veículos não é necessariamente o mesmo conjunto que aqueles trocados entre veículos.

A aba de conexões da RSU lista os objetos que estão conectados à RSU. Objetos podem ser adicionados usando a Ferramenta de Conexão ou clicando em Novo, em seguida, selecionando o alvo para o link na janela do mapa 2D. Uma RSU pode ser ligada a:

• Um Nó
• Um Detector
• Um Painel de Mensagens Variáveis (VMS)

Conexões da RSU

Centros de Gerenciamento de Tráfego

Um Centro de Gerenciamento de Tráfego (TMC) é um agregador de informações recebidas por um conjunto de RSUs. Seu papel é processar os dados das RSUs e gerenciar a rede através de mensagens V2X que instrui uma RSU a retransmitir, ou criando ações convencionais de Gerenciamento de Tráfego ITS.

Um TMC é criado a partir do menu Projeto: Novo: V2X e editado clicando com o botão direito na sua entrada na pasta V2X na Janela do Projeto. O TMC não possui representação visual ou localização na janela 2D do Aimsun Next. Um TMC é um centro de controle que não precisa estar na área modelada; pode até ser baseado em nuvem e, portanto, existir somente na Janela do Projeto para o modelo e na API.

A Aba Main do TMC edita a lista de canais e mensagens da mesma forma que para as OBUs e as RSUs para definir o canal e mensagens comuns que formam as comunicações entre as RSUs e o TMC. A Aba Unidades de Lado da Estrada é usada para especificar quais RSUs estão ligadas a esse TMC e, portanto, quais dados da RSU serão retransmitidos para esse TMC.

Se um Centro de Gerenciamento de Tráfego for incluído em um cenário, ele deve ser selecionado no campo de Centro de Gerenciamento de Tráfego no editor de cenário.

Executando uma simulação com V2X

À medida que uma simulação é executada, os veículos ingressarão e sairão de VANets e se conectarão, desconectarão e reconectarão com outros veículos e com RSUs. Para observar quais veículos estão conectados, um rótulo dinâmico pode ser anexado a um veículo para mostrar os "Objetos Conectados" em seus atributos. Alternativamente, um Modo de Visualização pode ser criado para mostrar quais veículos têm conexões ativas usando o atributo e, dependendo da atividade programada pelos motores de regras da API, o que os veículos estão fazendo com base em atributos criados dentro dessa API.