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Vehicular Communication for Cooperative Driving: Relevance-Aware Data Dissemination Strategies for Adaptive Cooperative Driving

Bischoff, Daniel (2022):
Vehicular Communication for Cooperative Driving: Relevance-Aware Data Dissemination Strategies for Adaptive Cooperative Driving. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021249,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Vehicular Communication for Cooperative Driving: Relevance-Aware Data Dissemination Strategies for Adaptive Cooperative Driving
Language: English
Abstract:

According to the EuroNCAP Roadmap 2025, vehicular communication is expected to play a decisive role in increasing traffic safety and efficiency. Vehicles can improve their environmental awareness, exchange driving intentions, and cooperate with other vehicles in their communication range. That way, vehicular communication enables the cooperative coordination of driving maneuvers to prevent traffic jams, increase traffic efficiency, and maintain safety on urban roads and highways, particularly in congested scenarios with high vehicle density. Cooperative driving requires high communication quality to coordinate maneuvers safely and efficiently. Providing high communication quality in congested vehicular networks, specifically for vehicles coordinating a cooperative maneuver, poses a significant research challenge. Moreover, the context of cooperative driving continuously changes due to high vehicle mobility, which further complicates the provision of high communication quality for vehicles coordinating a cooperative maneuver. Prioritizing information in congested vehicular networks improves the communication quality for vehicles coordinating a cooperative maneuver. If information prioritization is insufficient to provide high communication quality in heavily congested vehicular networks, the cooperative driving application must adapt to the available communication quality for maintaining traffic safety. The joint consideration of information prioritization from the application and congestion control from the network perspective to provide high communication quality for cooperative driving remains an open research challenge. As our first contribution, we assess communication quality and information relevance for cooperative driving. Based on this, we present a relevance-aware resource allocation approach and an adaptive data dissemination strategy using heterogeneous vehicular access technologies to improve the communication quality in congested networks for vehicles coordinating a cooperative maneuver as our second contribution. With our third contribution, we propose communication-aware cooperative driving. In scenarios with impaired communication quality, our approach reduces traffic efficiency to maintain safety. Thus, our approach can respond to unexpected events to avoid accidents, even in scenarios with impaired communication quality. We use numerical analysis and our simulation framework CoDA.KOM with a prototypical implementation of the cooperative driving use cases left-turning at an intersection to evaluate our contributions. Our evaluation demonstrates that relevance-aware resource allocation prioritizes information of vehicles coordinating a cooperative maneuver in scenarios with high vehicle density. Moreover, our adaptive data dissemination strategy with heterogeneous vehicular access technologies provides high communication quality to vehicles coordinating a cooperative maneuver. Overall, we increase traffic efficiency and maintain safety for cooperative driving by adapting to the vehicular communication quality.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Gemäß der EuroNCAP-Roadmap 2025 wird die Fahrzeugkommunikation eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der Sicherheit und Effizienz im Straßenverkehr einnehmen. Fahrzeuge können dadurch ihre Umgebungswahrnehmung steigern, zukünftige Fahrabsichten austauschen und mit anderen Fahrzeugen in ihrer Kommunikationsreichweite kooperieren. Somit ermöglicht Fahrzeugkommunikation die kooperative Koordinierung von Fahrmanövern, um Unfälle und Staus auf städtischen Straßen und Autobahnen, insbesondere in Szenarien mit hoher Verkehrsdichte, entscheidend zu reduzieren.

Kooperatives Fahren setzt eine hohe Kommunikationsqualität voraus, um Fahrmanöver sicher und effizient zu koordinieren. Die Bereitstellung einer hohen Kommunikationsqualität in stark belasteten Fahrzeugnetzwerken, insbesondere für Fahrzeuge, welche kooperative Fahrmanöver koordinieren, stellt eine entscheidende wissenschaftliche Herausforderung dar. Darüber hinaus ändert sich der Kontext von kooperativen Fahrmanövern aufgrund der hohen Fahrzeugmobilität fortwährend, was die Bereitstellung einer hohen Kommunikationsqualität für kooperativ agierende Fahrzeuge weiter erschwert.

Informationspriorisierung in stark belasteten Fahrzeugnetzwerken erhöht die Kommunikationsqualität von Fahrzeugen, welche kooperative Fahrmanöver koordinieren. Wenn Informationen für kooperative Fahrmanöver nicht ausreichend priorisiert werden können, muss die kooperative Fahrfunktion an die verfügbare Kommunikationsqualität adaptiert werden, um die Verkehrssicherheit weiterhin zu gewährleisten. Bislang bleibt die gemeinsame Betrachtung der Informationspriorisierung aus Applikations- und dem Entgegenwirken einer Netzwerküberlastung aus Netzwerksicht, um eine hohe Kommunikationsqualität für das kooperative Fahren bereitzustellen, ein offenes Forschungsthema.

In dieser Arbeit stellen wir einen Ansatz zur Bewertung der Kommunikationsqualität und Informationsrelevanz für das kooperative Fahren als unseren ersten Beitrag vor. Darauf aufbauend schlagen wir eine relevanzbasierte Ressourcenzuweisung und eine adaptive Verteilungsstrategie auf Basis heterogener Kommunikationstechnologien als unseren zweiten Beitrag vor. Somit können relevante Informationen für das kooperative Fahren mit einer hohen Kommunikationsqualität priorisiert werden. Als dritten Beitrag stellen wir einen kommunikationsberücksichtigenden Ansatz für das kooperative Fahren vor. Um die Verkehrssicherheit in Szenarien mit niedriger Kommunikationsqualität weiterhin zu gewährleisten, reduziert unser Ansatz die Verkehrseffizienz von kooperativen Fahrmanövern. Somit kann unser Ansatz auch bei niedriger Kommunikationsqualität auf unerwartete Ereignisse während eines kooperativen Fahrmanövers reagieren und Unfälle vermeiden.

Um unsere Beiträge zu bewerten, untersuchen wir diese zunächst mit numerischen Verfahren und verwenden im Anschluss unsere Simulationsumgebung CoDA.KOM, welche eine prototypische Implementierung des kooperativen Fahrens im Anwendungsfall des Linksabbiegen an einer Kreuzung beinhaltet. Unsere Evaluation zeigt, dass eine relevanzbasierte Ressourcenzuweisung Informationen von Fahrzeugen, die kooperative Fahrmanöver koordinieren, in stark belasteten Netzwerken priorisiert. Darüber hinaus bietet unsere adaptive Verteilungsstrategie mit heterogenen Kommunikationstechnologien eine hohe Kommunikationsqualität für kooperierende Fahrzeuge. Insgesamt erhöhen wir die Verkehrseffizienz und -sicherheit von kooperativen Fahrmanövern durch Anpassungen an die Kommunikationsqualität von Fahrzeugen.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 174 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute of Computer Engineering > Multimedia Communications
Date Deposited: 24 May 2022 10:18
Last Modified: 24 May 2022 10:18
DOI: 10.26083/tuprints-00021249
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-212491
Referees: Steinmetz, Prof. Dr. Ralf ; Wolf, Prof. Dr. Lars
Date of oral examination: 16 March 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21249
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