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Title Page

ABSTRACT

Contents

1. Introduction 15

1.1. Cooperative Intelligent Transportation Systems 15

1.2. The standard communication technologies in C-ITS 18

1.3. Challenges of C-ITS 19

1.4. C-ITS components and interactions 21

1.5. Urban environments and Highway environments 23

1.6. Dissertation Contribution 25

1.6.1. Hierarchical Network Architecture for Non-Safety Applications in Urban Vehicular Ad-Hoc Networks 25

1.6.2. Component-Based Interactive Framework for Intelligent Transportation Cyber-Physical Systems 26

1.6.3. Distributed Urban Platooning towards High Flexibility, Adaptability, and Stability 28

1.7. Organization of Dissertation 29

2. Related Works 31

2.1. Challenges: wireless networks and heterogeneity 31

2.2. Interactions for Vehicle to Vehicle 32

2.2.1. Highway platooning protocol 32

2.2.2. Urban platooning protocol 35

2.3. Interactions for heterogenous networks 37

2.3.1. IEEE WAVE 37

2.3.2. NFC 38

2.3.3. Bluetooth 38

2.3.4. Cellular 39

2.3.5. Wi-Fi Direct 41

2.4. Interactions for CAVs and NAVs 41

2.4.1. Safety and human factors 42

2.4.2. Interactive environments 45

3. Hierarchical Network Architecture for Non-Safety Applications in Urban Vehicular Ad-Hoc Networks 49

3.1. Introduction 49

3.2. A Hybrid V2V Communication System 57

3.2.1. System Overview 60

3.2.2. Cellular-Based Centralized Control Model 63

3.2.3. Wi-Fi Direct-Based Local Data Propagation 75

3.3. System Prototype Implementation 80

3.3.1. Feasibility Assessment of Forming LAG 83

3.4. Evaluation 85

3.4.1. Connection Establishment Time 86

3.4.2. Experimental Environment 88

3.4.3. Experimental Results 91

3.5 Summary 96

4. Component-Based Interactive Framework for Intelligent Transportation Cyber-Physical Systems 100

4.1. Introduction 100

4.2. Problem Description and Background on Intelligent Transportation Cyber-Physical Systems 104

4.2.1. Requirements for an Interactive ITCPS Framework 105

4.3. A Component-Based Interactive ITCPS Framework 108

4.3.1. Conceptual Design 110

4.3.2. Detailed Design 116

4.4. Performance Evaluation 139

4.5. Effectiveness of an Interactive ITCPS Framework 145

4.5.1. Measured Variables and Reliability Analysis 148

4.5.2. Analysis of Driving Performance Affected by V2V Communication Support 151

4.5.3. Analysis of Factors Affecting Driving Safety Level 154

4.5.4. Discussion 158

4.6. Summary 159

5. Distributed Urban Platooning towards High Flexibility, Adaptability, and Stability 163

5.1. Introduction 163

5.2. Distributed Urban Platooning Protocol 171

5.2.1. A Distributed Coordination for Urban Platooning 173

5.2.2. Flexible and Autonomous Platooning 182

5.2.3. Analytic Hierarchy Process-Based Forwarder Selection 193

5.3. Performance Evaluation 204

5.3.1. Experimental Environment 204

5.3.2. Experimental Results 207

5.4. Summary 226

6. Conclusion 229

6.1. Hybrid V2V Communication System 230

6.2. Interactive Intelligent Transportation Cyber-physical Systems 230

6.3. Distributed Urban Platooning Protocol 231

References 233

요약문 252

List of Tables

Table 2.1. Comparison between Wi-Fi Direct and WAVE. 41

Table 3.1. Simulation parameters. 90

Table 4.1. Summarized data elements for each data frame 136

Table 4.2. Mean transmission time interval and mean processing delay in milliseconds measured in the... 144

Table 4.3. Summary of variables measured in each scenario. 150

Table 4.4. Results of Kolmogorov–Smirnov normality test 152

Table 4.5. Results of the paired t-test. 154

Table 4.6. Coefficients of a criterion variable, μSI. 156

Table 4.7. ANOVA of a criterion variable, μSI. 157

Table 4.8. Model summary of a criterion variable, μSI. 158

Table 5.1. A general grade used for pairwise comparison to criteria. 198

Table 5.2. The results of the decision, pairwise comparison, and decision weight matrices. 200

Table 5.3. A relative grade used for pairwise comparison of nodes. 202

Table 5.4. A priority weight matrix for all nodes at a given time. 203

Table 5.5. The priority of nodes. 204

Table 5.6. The generation ratio of vehicles for time. 206

Table 5.7. Parameters defined for the experimental environment. 206

List of Figures

Figure 1.1. Components in ITS 20

Figure 3.1. Overview of the proposed hybrid V2V communication system. 62

Figure 3.2. Messages of a traffic controller. 74

Figure 3.3. Wi-Fi Direct connection sequence. 76

Figure 3.4. Messages of a vehicle node. 78

Figure 3.5. Design and implementation. (a) Overall structure of the implemented hybrid V2V communi-... 81

Figure 3.6. An internal message of a vehicle node. 83

Figure 3.7. Comparison between the time taken for the LAG formation of HVCS and Wi-Fi Direct. 85

Figure 3.8. Comparison between the connection establishment time of the proposed HVCS and Wi-Fi Direct. 87

Figure 3.9. Road network. 89

Figure 3.10. Throughput of the proposed system and the WAVE (the vehicle density was rounded off to... 92

Figure 3.11. System connection performance (the vehicle density was rounded off to the nearest whole... 93

Figure 3.12. Quality of service level for the video streaming service. 96

Figure 4.1. Overall architecture of an interactive intelligent transportation cyber-physical systems... 111

Figure 4.2. Movements of vehicles in four phase signals with the green light at a four-way intersection... 121

Figure 4.3. Design of the Society of Automotive Engineers (SAE) J7235 basic safety message Part 2 con-... 129

Figure 4.4. Modified structure of a SAE J2735 basic safety message for vehicle-to-vehicle communication 134

Figure 4.5. Human and hardware-in-the-loop system (H2iLS) for the interactive ITCPS framework: (a)... 138

Figure 4.6. Performance of the mean travel time and the mean intersection crossing time as a func-... 143

Figure 4.7. Speed change of the connected and non-automated vehicle (CNAV) as a function of time... 145

Figure 5.1. A channel access method defined for a distributed coordination. 175

Figure 5.2. A WAVE service advertisement message for urban platooning. 177

Figure 5.3. The basic format of three messages for urban platooning. 179

Figure 5.4. A structure for AHP-based selection method. 194

Figure 5.5. The road network used for the experiment. 205

Figure 5.6. Average travel time according to the time zone for each protocol: (a) Average travel time; (b)... 209

Figure 5.7. Average travel time over the driving distance at peak time zone 16. 210

Figure 5.8. Lifetime of local platoons: (a) Average lifetime of local platoons, representing the continuity... 213

Figure 5.9. Success ratio of joining maneuver: (a) Success ratio of a joining maneuver; (b) Failure ratio... 214

Figure 5.10. Drop ratio of basic safety messages. 217

Figure 5.11. Transmission periodicity of the urban platooning related messages: (a) Transmission success... 218

Figure 5.12. The effect of forwarder selection in distance gap: (a) Inter-vehicle distance under ESB-100... 222

Figure 5.13. Forwarder selection ratio for each platoon length under DUPP-100: (a) The effect of the... 223

초록보기

최근 사회와 기술이 발전됨에 따라 navigation 과 cruise control 같은 Intelligent Transportation System (ITS)이 세상에 모습을 드러내고 있다. 이 ITS 중에서 통신을 이용하여 센서들과 차량 그리고 인프라가 함께 협동하여 서비스를 제공할 수 있는 시스템을 Cooperative Intelligent Transportation System (C-ITS)라고 부른다. C-ITS 에서는 수많은 센서와 디바이스들이 하나로 연결되어 데이터를 공유할 수 있게 된다. 이는 교통 시스템을 보다 효율적이고 안전하게 만들어서 사회적, 경제적인 이익을 가져오게 된다. 이러한 장점을 가진 C-ITS 의 보급을 위해서는 해결해야할 이슈들이 있다. 이 논문에서는 그 중 두가지 이슈에 대해서 다룬다. 첫 번째는 차량 네트워크가 무선 네트워크를 기반으로 하고 있기 때문에 네트워크 사용자가 증가함에 따라 네트워크의 성능이 큰 폭으로 하락한다는 것이다. 이 때문에 차량이 매우 밀집한 지역에서는 통신을 기반으로 하는 CITS 의 성능과 안정성이 매우 낮아질 수 있다. 두 번째는, 도로에는 다양한 시스템 및 네트워크가 공존하기 때문에 서로 다른 네트워크로 연결 되어있는 시스템간 데이터의 공유 및 상호작용이 원활하지 못할 수 있다. 또한 여러 시스템이 동시에 작동되다보면 서로의 성능을 저하시키는 일도 발생할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위한 가장 중요한 것은 바로 네트워크를 이용하는 시스템간 상호작용을 효율적, 효과적으로 설계하는것이다. 이처럼 설계를 통해 모든 시스템이 네트워크 자원의 낭비없이 데이터를 잘 공유하도록 하면 C-ITS 전반적인 성능이 올라갈 것이다. 이 논문에서는 더 나은 설계를 위하여 C-ITS 의 여러가지 구성요소를 살펴보고 이를 컴포넌트로 정의하였다. 우리는 정의된 컴포넌트들 중에 urban environment 와 관련있는 총 세 쌍의 컴포넌트를 선택하여 이들의 상호작용에 대해서 구체적으로 분석하고 설계하였다. 첫번째, 교통시스템을 이용함에 있어서 안전 뿐아니라 편리함과 편의성에 대한 수요가 점점 많아지고 있다. 우리는 이러한 요구를 수용하기 위해 기존 차량네트워크 표준과 병행하여 사용할 수 있는 또 다른 네트워크를 설계하였다. 우리는 두 개의 네트워크기술에 대한 분석을 통해 이들의 상호작용을 살펴보았고 두 네트워크가 서로의 단점을 보완할 수 있도록 설계하였다. 이 방식을 통하여 우리는 대량의 네트워크 트래픽을 발생시키는 서비스를 차량네트워크로 지원할 수 있음을 보여주었다. 두 번째, 자율주행차량이 100% 보급되기까지는 상당히 많은 시간이 남았고 그 때까지 자율주행차량과 비 자율주행차량은 공존할 수밖에 없다. 이들이 공존하는 동안, 자율주행차량이 비 자율주행차량과와 함께 안전하게 주행하기 위해서는 운전자의 행위에 대한 충분한 데이터가 확보 되어야 한다. 우리는 이 데이터를 수집할 수 있는 실험환경을 만들었다. 여기에는 실제차량 인터페이스와 트래픽 시뮬레이터 그리고 이들을 구성하는 여러 서브시스템의 상호작용에 대해 설계하였다. 세 번째, 우리는 도로의 용량을 증진시켜주며 연료 절감 또한 가능하게 해주는 군집주행 시스템을 설계하였다. 이 시스템은 빠르고 가볍게 동작하여 밀집된 환경에서도 차량들이 기본적으로 주고 받아야할 안전메시지의 송수신에 큰 영향없이 동작한다. 우리는 이 연구들을 통하여 컴포넌트간 상호작용에 대한 효율적 설계가 전반적인 네트워크의 성능향상을 보여주며 이기종 시스템간 데이터 교환을 효율적으로 할 수 있는지를 입증하였다.

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