Advanced vehicular communications through cellular and short-range networks exploiting road weather and traffic observation data

Tahir, Muhammad Naeem (2024-08-09)
 
Avaa tiedosto
Lataukset: 

URL:
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202406104335

Tahir, Muhammad Naeem
Oulun yliopisto
09.08.2024
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Näytä kaikki kuvailutiedot
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202406104335

Kuvaus

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the Oulun Puhelin auditorium (L5), Linnanmaa, on 16 August 2024, at 12 noon
Tiivistelmä
Abstract

Good road infrastructure and an efficient transportation system form the foundations of modern societies. The development of road traffic systems places safety as a top priority. In recent years, weather information has developed as an increasingly important factor in road traffic safety. Icy and slippery roads have become the leading cause of road accidents in the winter season, especially in the northern regions of Europe and North America. For the safety of road traffic, the most important factors are accurate information on real-time weather and road traffic. Short-range vehicular networking based on the IEEE 802.11p (ITS-G5), Wi-Fi and visible light communications (VLC) can be utilised to provide vehicular communications. Cellular communication in the form of the fourth (4G) and fifth generation (5G) networks is currently considered as a potential system for vehicular communication. During this dissertation research, we conducted pilot measurements of both short-range and long-range wireless technologies in different realistic vehicular environments. The research was carried out at the Petäjämaa and Sodankylä airport test tracks, which are operated by the Finnish Meteorological Institute (FMI) in Sodankylä, Finland. This dissertation presents a system-level performance analysis of short-range and long-range communication, taking into account various parameters such as latency, goodput, throughput, packet loss, and location-based services. The security of vehicular communications is also essential for ensuring secure and reliable communication for road traffic safety. The communication layer in vehicular communications is vulnerable to eavesdropping, jamming, and spoofing attacks. At FMI, we also developed SafeCOP, an embedded safety feature, to provide a secure and reliable communication platform for V2V and V2I scenarios.

The outcome of this doctoral research will contribute to the improvement of the overall safety of road by demonstrating the reduced packet loss, low latency, and improved data rates while exchanging road traffic and road weather data in different vehicular communication scenarios. This thesis also assesses the performance of the implemented heterogeneous platform by facilitating higher data rates, improving network reliability through a heterogeneous approach, reducing latency, and expanding bandwidth, ultimately enhancing road traffic safety. Moreover, the long-range and short-range (hybrid) model will demonstrate network behavior in extreme winter conditions.
 
Tiivistelmä

Hyvä tieinfrastruktuuri ja tehokas liikennejärjestelmä muodostavat modernien yhteiskuntien perustan. Tieliikennejärjestelmien kehittäminen asettaa turvallisuuden etusijalle. Viime vuosina säätieto on kehittynyt yhä tärkeämmäksi liikenneturvallisuuden tekijäksi. Jäiset ja liukkaat tiet ovat nousseet yleisimmäksi liikenneonnettomuuksien syyksi talvikaudella erityisesti Euroopan pohjoisilla alueilla ja Pohjois-Amerikassa. Tieliikenteen turvallisuuden kannalta tärkeimmät tekijät ovat tarkka reaaliaikainen sää- ja tieliikennetieto. Lyhyen kantaman ajoneuvoverkkoa, joka perustuu IEEE 802.11p-standardiin (ITS-G5), Wi-Fi-verkkoon ja näkyvän valon tietoliikenteeseen (VLC, visible light communication), voidaan hyödyntää ajoneuvoviestinnän tarjoamiseen. Mobiiliviestintää 4G- ja 5G-verkoissa pidetään tällä hetkellä potentiaalisena ajoneuvojen viestintäjärjestelmänä. Tämän väitöstutkimuksen aikana teimme pilottimittauksia sekä lyhyen että pitkän kantaman langattomista tekniikoista erilaisissa realistisissa ajoneuvoympäristöissä. Tutkimus tehtiin Ilmatieteen laitoksen operoimilla Petäjämaan ja Sodankylän lentokentän testiradoilla. Tämä väitöskirja esittää järjestelmätason suorituskykyanalyysin lyhyen ja pitkän kantaman viestinnästä, jossa otetaan huomioon erilaiset parametrit, kuten latenssi, hyvä suorituskyky, pakettihäviö ja sijaintipohjaiset palvelut. Ajoneuvojen viestinnän turvallisuus on olennaista myös turvallisen ja luotettavan viestinnän takaamiseksi tieliikenneturvallisuuden kannalta. Ajoneuvojen viestinnän viestintäkerros on altis salakuuntelu-, häirintä- ja huijaushyökkäyksille. Ilmatieteen laitos on kehittänyt SafeCOP:n, sulautetun turvaominaisuuden, joka tarjoaa turvallisen ja luotettavan viestintäalustan V2V- ja V2I-skenaarioille.

Tämän väitöstutkimuksen tulokset edistävät tien yleisen turvallisuuden parantamista osoittamalla pienentyneen pakettihäviön, alhaisen latenssin ja parannetut tiedonsiirtonopeudet samalla kun vaihdetaan tieliikenne- ja tiesäätietoja eri ajoneuvojen viestintäskenaarioissa. Tässä opinnäytetyössä arvioidaan myös toteutetun heterogeenisen alustan suorituskykyä mahdollistamalla suurempia tiedonsiirtonopeuksia, parantamalla verkon luotettavuutta heterogeenisen lähestymistavan avulla, vähentämällä latenssia ja laajentamalla kaistanleveyttä, mikä viime kädessä lisää tieliikenneturvallisuutta. Lisäksi pitkän ja lyhyen kantaman (hybridi) malli osoittaa verkon käyttäytymistä äärimmäisissä talviolosuhteissa.
 

Original papers

  1. Tahir, M. N., Mäenpää, K., & Sukuvaara, T. (2021). Wireless vehicular communication: C-ITS field measurements using ITS-G5. 2021 International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), 1–4. https://doi.org/10.23919/SoftCOM52868.2021.9559125 https://doi.org/10.23919/SoftCOM52868.2021.9559125

  2. Tahir, M. N., & Katz, M. (2022). Performance evaluation of IEEE 802.11p, LTE and 5G in connected vehicles for cooperative awareness. Engineering Reports, 4(4), e12467. https://doi.org/10.1002/eng2.12467 https://doi.org/10.1002/eng2.12467

    Self-archived version

  3. Tahir, M. N., Katz, M., & Javed, Z. (2021). Poster: Connected vehicles using short-range (Wi-Fi & IEEE 802.11p) and long-range cellular networks(LTE & 5G). 2021 IEEE 29th International Conference on Network Protocols (ICNP), 1–2. https://doi.org/10.1109/ICNP52444.2021.9651959 https://doi.org/10.1109/ICNP52444.2021.9651959

  4. Tahir, M. N., & Katz, M. (2021). ITS performance evaluation in direct short-range communication (IEEE 802.11p) and cellular network(5G)(TCP vs UDP). In U. Z. A. Hamid & F. Al-Turjman (Eds.), Towards Connected and Autonomous Vehicle Highways (pp. 257–279). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-66042-0_10 https://doi.org/10.1007/978-3-030-66042-0_10

  5. Tahir, M. N., Leviäkangas, P., & Katz, M. (2022). Connected vehicles: V2V and V2I road weather and traffic communication using cellular technologies. Sensors, 22(3), 1142. https://doi.org/10.3390/s22031142 https://doi.org/10.3390/s22031142

    Self-archived version

  6. Tahir, M. N., & Rashid, U. (2020). Demo: Intelligent transport system (ITS) assisted road weather & traffic services. 2020 IEEE Vehicular Networking Conference (VNC), 1–2. https://doi.org/10.1109/VNC51378.2020.9318377 https://doi.org/10.1109/VNC51378.2020.9318377

  7. Tahir, M. N., Mäenpää, K., & Hippi, M. (2020). Pedestrian motion detection & pedestrian communication(P2J & V2P). 2020 International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), 1–3. https://doi.org/10.23919/SoftCOM50211.2020.9238338 https://doi.org/10.23919/SoftCOM50211.2020.9238338

  8. Tahir, M. N., & Katz, M. (2021). Heterogeneous (ITS-G5 and 5G) vehicular pilot road weather service platform in a realistic operational environment. Sensors, 21(5), 1676. https://doi.org/10.3390/s21051676 https://doi.org/10.3390/s21051676

    Self-archived version

  9. Tahir, M. N., Mäenpää, K., Sukuvaara, T., & Leviäkangas, P. (2021). Deployment and analysis of cooperative intelligent transport system pilot service alerts in real environment. IEEE Open Journal of Intelligent Transportation Systems, 2, 140–148. https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3085569 https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3085569

    Self-archived version

  10. Tahir, M. N., Katz, M., & Rashid, U. (2021). Analysis of VANET wireless networking technologies in realistic environments. 2021 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), 123–125. https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360381 https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360381

    Self-archived version

 

Osajulkaisut

  1. Tahir, M. N., Mäenpää, K., & Sukuvaara, T. (2021). Wireless vehicular communication: C-ITS field measurements using ITS-G5. 2021 International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), 1–4. https://doi.org/10.23919/SoftCOM52868.2021.9559125 https://doi.org/10.23919/SoftCOM52868.2021.9559125

  2. Tahir, M. N., & Katz, M. (2022). Performance evaluation of IEEE 802.11p, LTE and 5G in connected vehicles for cooperative awareness. Engineering Reports, 4(4), e12467. https://doi.org/10.1002/eng2.12467 https://doi.org/10.1002/eng2.12467

    Rinnakkaistallennettu versio

  3. Tahir, M. N., Katz, M., & Javed, Z. (2021). Poster: Connected vehicles using short-range (Wi-Fi & IEEE 802.11p) and long-range cellular networks(LTE & 5G). 2021 IEEE 29th International Conference on Network Protocols (ICNP), 1–2. https://doi.org/10.1109/ICNP52444.2021.9651959 https://doi.org/10.1109/ICNP52444.2021.9651959

  4. Tahir, M. N., & Katz, M. (2021). ITS performance evaluation in direct short-range communication (IEEE 802.11p) and cellular network(5G)(TCP vs UDP). In U. Z. A. Hamid & F. Al-Turjman (Eds.), Towards Connected and Autonomous Vehicle Highways (pp. 257–279). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-66042-0_10 https://doi.org/10.1007/978-3-030-66042-0_10

  5. Tahir, M. N., Leviäkangas, P., & Katz, M. (2022). Connected vehicles: V2V and V2I road weather and traffic communication using cellular technologies. Sensors, 22(3), 1142. https://doi.org/10.3390/s22031142 https://doi.org/10.3390/s22031142

    Rinnakkaistallennettu versio

  6. Tahir, M. N., & Rashid, U. (2020). Demo: Intelligent transport system (ITS) assisted road weather & traffic services. 2020 IEEE Vehicular Networking Conference (VNC), 1–2. https://doi.org/10.1109/VNC51378.2020.9318377 https://doi.org/10.1109/VNC51378.2020.9318377

  7. Tahir, M. N., Mäenpää, K., & Hippi, M. (2020). Pedestrian motion detection & pedestrian communication(P2J & V2P). 2020 International Conference on Software, Telecommunications and Computer Networks (SoftCOM), 1–3. https://doi.org/10.23919/SoftCOM50211.2020.9238338 https://doi.org/10.23919/SoftCOM50211.2020.9238338

  8. Tahir, M. N., & Katz, M. (2021). Heterogeneous (ITS-G5 and 5G) vehicular pilot road weather service platform in a realistic operational environment. Sensors, 21(5), 1676. https://doi.org/10.3390/s21051676 https://doi.org/10.3390/s21051676

    Rinnakkaistallennettu versio

  9. Tahir, M. N., Mäenpää, K., Sukuvaara, T., & Leviäkangas, P. (2021). Deployment and analysis of cooperative intelligent transport system pilot service alerts in real environment. IEEE Open Journal of Intelligent Transportation Systems, 2, 140–148. https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3085569 https://doi.org/10.1109/OJITS.2021.3085569

    Rinnakkaistallennettu versio

  10. Tahir, M. N., Katz, M., & Rashid, U. (2021). Analysis of VANET wireless networking technologies in realistic environments. 2021 IEEE Radio and Wireless Symposium (RWS), 123–125. https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360381 https://doi.org/10.1109/RWS50353.2021.9360381

    Rinnakkaistallennettu versio

 
Kokoelmat