Kit de Desenvolvimento de Software V2X¶

Uma Vehicle Ad Hoc Network (VANet) é uma rede efêmera criada espontaneamente por um conjunto de veículos conectados próximos entre si ou próximos a uma Roadside unit (RSU) conectada de forma semelhante. As comunicações são genericamente denominadas V2V para comunicações Vehicle to Vehicle, V2I para comunicações Vehicle to Infrastructure ou, quando ambas operam em conjunto, comunicações V2X.

Há muitas aplicações propostas para comunicações V2X, a Arquitetura de Implementação de Referência de Veículos Conectados detalha mais de 100 dessas aplicações. A comunicação com a infraestrutura viária é introduzida quando uma organização de gestão de tráfego instala Road Side Units (RSU) para monitorar comunicações intraveiculares e usar essas informações para atuar localmente enviando mensagens a veículos conectados ou para atuar na gestão da rede viária agregando informações de múltiplas unidades de acostamento em um centro urbano ou regional de gestão de tráfego.

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

• Dar aos veículos maior consciência da presença e das intenções de outros veículos em proximidade imediata e avaliar os efeitos das mudanças no comportamento dos veículos em resposta a essas informações.
• Tornar os veículos cientes do congestionamento local em sua rota imediatamente à frente e avaliar estratégias alternativas.
• Implementando colaboração ativa entre veículos.
• Implementação de estratégias de gestão da rede com base nos dados ricos derivados de veículos conectados.

Em todos os casos, a simulação pode ser usada para estudar o efeito da iniciativa sob circunstâncias que incluem a variação da qualidade e do alcance das comunicações e da 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 do canal, o encapsulamento 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 Aimsun Next V2X SDK é concentrar-se na aplicação das comunicações V2X conforme realizadas nas ações de um Centro de Gerenciamento de Tráfego, das Road Side Units e dos veículos conectados individuais.

O V2X Systems Development Kit (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 a recepção de mensagens V2X. Os canais V2X simulam o meio de transmissão, na prática a tecnologia de rádio em uso, e as On Board Units nos veículos e as Road Side Units 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 efetivamente quais pacotes específicos estão em disputa. De modo semelhante, o ato de entrar e sair de uma VANet é simplificado assumindo-se que é simplesmente uma função do alcance, em vez de ser estabelecido por um protocolo negociado de associação. Se os aspectos mais complexos das VANets forem vitais para o estudo em andamento, então o projeto do V2X SDK permite que os componentes V2X padrão sejam substituídos por componentes fornecidos pelo usuário e que código de API seja escrito para fornecer a capacidade necessária ao estudo.

Tipos de Mensagem¶

As aplicações V2X também são uma área em desenvolvimento e, embora existam alguns tipos de mensagem que foram padronizados por agências da UE e dos Estados Unidos, há muitos outros em desenvolvimento. Portanto, o V2X SDK implementa uma classe genérica de mensagem 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. Depois que o novo tipo de mensagem tiver sido desenvolvido e adicionado à lista de tipos disponíveis, ele aparece nas listas de tipos de mensagem da interface do usuário e é distribuído aos veículos e às unidades de beira de via dentro do alcance do veículo transmissor ou da RSU.

Componentes do V2X SDK¶

Os componentes do V2X SDK no Aimsun Next são:

• Tipo de Mensagem: Os tipos de mensagens passadas entre veículos e as RSUs. O V2X SDK implementa alguns dos tipos comuns de mensagens padronizadas e algumas mensagens genéricas. Quando novos tipos de mensagem são necessários para aplicações experimentais, eles podem ser adicionados ao V2X SDK usando os novos métodos Message no V2X API e transmitidos entre veículos e RSUs da mesma forma que os tipos de mensagem existentes.

• Canal: O canal de comunicação é a representação simulada do hardware de rádio e dos protocolos que fornecem comunicação entre veículos. Tipicamente, isso pode ser uma rede de comunicações baseada em células 5G ou um protocolo baseado em Wi-Fi, como IEEE 802.11p. O objeto de canal padrão no V2X SDK é um objeto simples de transmissão 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 comunicação; isto é, o protocolo que determina como os veículos entram 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: O OBU fornece o receptor e o 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 mensagens em cada canal.

• RoadSide Unit(RSU): A RSU é o componente "I" da rede de comunicações Vehicle to Infrastructure (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 integrador dos dados de várias RSUs e o iniciador de ações coordenadas de controle semafórico e gerenciamento de tráfego. Ele se comunica com as RSUs por meio de um tipo de canal separado, que agora pode ser baseado em conexões cabeadas 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 por meio de um canal usando tipos de mensagem predefinidos. 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 poderia ser:

1. Os veículos trocam dados entre si e com uma RSU em uma área local usando mensagens definidas padronizadas (ou seja, CAM, BSM), usando 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 a veículos quanto algumas mensagens agregadas específicas de fornecedor para o TMC em outros canais dedicados às comunicações de gerenciamento.
3. O TMC avalia as informações de múltiplas RSUs. Suas ações são retransmitidas de volta aos veículos equipados na rede de tráfego por meio das RSUs e também implementadas usando controle semafórico e ITS.
4. O "Vehicle Rules Engine" recebe os dados V2X de outros veículos e das RSUs e os adiciona ao conhecimento existente do veículo sobre a rede de tráfego, obtido de semáforos, ITS e dos veículos em sua proximidade. O Rules Engine então influencia o comportamento do veículo.

## Tipos de Mensagem

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

O conjunto de mensagens fornecido é:

• Cooperative Awareness Message (CAM): A Cooperative Awareness Message é definida pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) na norma TS 302 637-2. A mensagem CAM fornece informações sobre a presença, atividade e posição de "estações ITS", que podem incluir RSUs, bem como veículos. A mensagem consiste em um ou mais contêineres de informação: eles 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 Descentralizada de Notificação Ambiental (DENM): A Decentralized Environmental Notification Message é definida pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) na norma 302 637-3. Uma mensagem DENM contém informações sobre eventos ou condições que têm impacto potencial na segurança viária ou nas condições de tráfego. Um evento é descrito por um tipo de evento, uma posição do evento, um horário de detecção e uma duração temporal. Uma mensagem DENM é normalmente enviada depois que estações ITS detectam condições reportáveis, individualmente, ou depois que uma estação agrega dados das mensagens CAM de outros veículos. Por exemplo, uma mensagem DENM pode ser enviada para informar sobre congestionamento em uma área, um veículo parado ou um fechamento de faixa, depois que informações de múltiplas mensagens CAM foram recebidas e processadas.

• Signal Phase and Timing Extended Message (SPATEM): A Signal Phase and Timing Extended Message é definida pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) na norma 103 301. A mensagem SPATEM fornece informações sobre os tempos semafóricos e os tempos previstos de mudança. A mensagem SPATEM é acompanhada por uma mensagem MAPEM para fornecer informações topológicas.

• Mensagem Estendida MAP (MAPEM): A MAP Extended Message é definida pelo European Telecommunications Standards Institute (ETSI) na norma 103 301. Seu objetivo é definir a topologia da via e das faixas nas proximidades de um cruzamento e fornecer os dados necessários para decodificar uma mensagem SPATEM.

Canal V2X¶

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

Na prática, há protocolos para entrar e sair de uma rede de dados que um membro da rede deve seguir. Há também protocolos para lidar com o congestionamento do canal, 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 de cada tipo de tecnologia de canal. De modo semelhante, na transmissão física de pacotes de dados, há diferentes fatores de atenuação para diferentes tecnologias à medida que as transmissões passam por edifícios ou atravessam paisagens. Modelar esse nível de detalhe é caro em termos de recursos computacionais e, em muitas aplicações, esse nível de detalhe não será apropriado.

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

• Latência: O atraso na transmissão de pacotes.

• Intervalo: O alcance de transmissão, que na prática determina 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 a não entrega.

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

Criar um Novo Canal¶

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

Diferentes canais deste tipo podem ser criados para diferentes aplicações, cada um dos quais pode transportar um conjunto diferente de tipos de mensagem.:

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

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

Configurações de canais¶

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

Unidade de Bordo do Veículo¶

Uma On Board Unit (OBU) é a representação, na simulação, do transmissor/receptor no veículo; ela é o elo entre um veículo e as mensagens que ele transmite e recebe. Uma OBU pode se conectar a múltiplos canais e retransmitir diferentes tipos de mensagens em cada canal.

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

A OBU é vinculada ao tipo de veículo na Editor de Tipos de Veículo, Aba V2X onde é especificada a proporção de veículos de cada tipo, com cada OBU.

Unidade de Beira de Via ¶

Uma Road Side Unit (RSU) é um dispositivo físico que se comunica pelos mesmos canais que as OBUs dos veículos e troca as mesmas mensagens, mas é ancorado em um local específico e tem um alcance de comunicação definido. As comunicações são recebidas de veículos equipados com uma OBU compatível que estejam atualmente dentro da área definida da RSU. Uma RSU pode ser vinculada a um ou mais nós na rede, de modo que o código API associado a cada RSU possa então acessar os nós especificamente associados a essa RSU.

Criação e Localização de 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. Depois de criada, a posição da RSU pode ser ajustada selecionando o ponto central e movendo-o, e seu alcance selecionando seu contorno circular e redimensionando-o.

Editando uma RSU¶

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

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

• A Nó
• A Detector
• A Painel de Mensagem Variável (VMS)

Conexões 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 dados das RSUs e gerenciar a rede por meio de mensagens V2X que ele instrui uma RSU a retransmitir, ou criando ITS convencionais Ações de Gerenciamento de Tráfego.

Um TMC é criado a partir do Projeto: Novo: V2X menu e editado clicando com o botão direito em sua entrada na pasta V2X na Project Window. O TMC não tem representação visual nem localização na janela 2D do Aimsun Next. Um TMC é um centro de controle que não precisa estar na área modelada; ele pode até ser baseado em nuvem e, portanto, existir exclusivamente no Janela do Projeto para o modelo e na API.

O TMC Principal A aba edita a lista de canais e mensagens da mesma forma que para o OBUS e as RSUs, para definir o canal comum e as mensagens que formam as comunicações entre as RSUs e o TMC. O Unidades de beira de via A aba é usada para especificar quais RSUs estão vinculadas a este TMC e, portanto, quais dados de RSU serão retransmitidos para este TMC.

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

Executando uma simulação com V2X ¶

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

Observação sobre licenças: Esta funcionalidade está disponível em assinaturas anuais do Aimsun Next Pro, Advanced ou Expert Edition.