Č ESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V P RAZE F AKULTA DOPRAVNÍ
Bakalářská práce
Michal Karel
Nové trendy v technologiích DSRC pro dopravní aplikace
2010
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ FAKULTA DOPRAVNÍ Ústav: K614
Akademický rok: 2009/2010
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE (PROJEKTU, UMĚLECKÉHO DÍLA, UMĚLECKÉHO VÝKONU)
Michala Karla
pro
..................................................................................................................................................................................................................
obor .
Automatizace a informatika
.................................................................................................................................................................................................................
Název tématu: Nové trendy v technologiích DSRC pro dopravní aplikace .......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
.......................................................................................................................................................................................
Zásady pro vypracování: Popište hlavní kategorie telematických systémů. Popište výchozí podmínky a vlastnosti technologií DSRC 5.8GHz a DSRC 5.9GHz a jejich postavení v dopravní telematice. Popište hlavní zástupce telematických aplikací, kde se DSRC vyuţívá a to zejména s důrazem na V2X aplikace - porovnejte moţnosti aplikace DSRC 5.8GHz a Wave/DSRC 5.9GHz. Zhodnoťe moţnost vyuţívání DSRC 5.9 GHz /Wave v Evropském prostoru a to především s ohledem na doposud identifikované problémy při simultánním provozování obou řešení případně navrhněte moţné cesty jeho uţívání právě v Evropě.
-2-
Rozsah grafických prací:
10 obrázků
...............................................................................................................................................................
Rozsah průvodní zprávy:
40 - 50 stran
...............................................................................................................................................................
Seznam odborné literatury: Relevantní standardy CEN, ISO a IEEE .................................................................................................................................................... ....
Zelinka,T., Svítek, M.: Telekomunikační řešení pro ITS ....................................................................................................................................................
....
Zelinka,T., Svítek, M.: Adaptive comms solutions telematics ....................................................................................................................................................
....
Aktuální internetové zdroje ........................................................................................................................................................
Vedoucí bakalářské práce:
Prof. Ing. Tomáš Zelinka, CSc. ........................................................................................................................................................
Datum zadání bakalářské práce:
31.7.2009 ..........................................................
Datum odevzdání bakalářské práce:
10.6.2010 ..........................................................
L.S.
...........................................................................
.........................................................................
Vedoucí ústavu
Děkan
V Praze dne
31.7.2009 -3-
-4-
Čestné prohlášení
Prohlašuji, ţe jsem předloţenou práci vypracoval samostatně a ţe jsem uvedl veškeré pouţité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
Nemám ţádný závaţný důvod proti uţití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).
V Praze: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Podpis: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
-5-
Poděkování
Chtěl bych poděkovat všem, jejichţ rady přispěly velkou měrou ke zpracování této bakalářské práce. Zvláště pak děkuji vedoucímu mé bakalářské práce prof. Ing. Tomáši Zelinkovi, CSc., prof. Ing. Pavlu Přibylovi za poskytnuté informace, kolegům z laboratoře E-Ident a to zejména Ing. Zdeňku Lokajovi, Ing. Petru Endelovi a Ing. Martinu Šrotýřovi za jejich názory a připomínky. Dále bych rád poděkoval Ing. Jaroslavu Altmannovi, vedoucímu výzkumu a vývoje firmy Princip a.s., za jeho vstřícnost ke konzultacím.
-6-
Abstrakt
Autor: Michal Karel Název: Nové trendy v technologiích DSRC pro dopravní aplikace Škola: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta dopravní Rok: 2010 Počet stran: 68
Tato bakalářské práce pojednává o progresivních moţnostech pro inteligentní dopravní systémy se zaměřením na výchozí podmínky a vlastnosti technologií DSRC 5,8 GHz a DSRC 5,9 GHz a jejich postavení v dopravní telematice. Dále se zabývá jejich vyuţitím a to zejména ve V2X aplikacích a v neposlední řadě se zaměřuje na alternativní vyuţití WAVE/DSRC 5,9 GHz v evropských podmínkách.
Klíčová slova: DSRC, WAVE, CIVS, V2X, IEEE 802.11p, ITS, OBE, RSE
-7-
Abstrakt
Autor: Michal Karel Název: New trends in DSRC technologies focused on transport applications Škola: Czech Technical University in Prague, Faculty of Transportation Rok: 2010 Počet stran: 68
This bachelor thesis deals with progressive alternatives in intelligent transport systems and focuses on initial conditions and features of technologies DSRC 5,8 GHz and DSRC 5,9 GHz and their positions in transport telematics. Further considers their usage especially in V2X applications and very important topic is alternative usage of WAVE/DSRC 5,9 GHz in European conditions and environment.
Key words: DSRC, WAVE, CVIS, V2X, IEEE 802.11p, ITS, OBE, RSE
-8-
Obsah Úvod .................................................................................................................................... - 16 1.
Úvod do problematiky technologie DSRC .................................................................. - 18 1.1.
Standardizace DSRC ...................................................................................... - 18 -
1.2.
Komunikační komponenty ............................................................................. - 18 -
1.2.1.
OBE jednotka ........................................................................................... - 19 -
1.2.1.1.
2.
1.2.2.
RSE jednotka ............................................................................................ - 20 -
1.2.3.
Reţimy komunikace ................................................................................. - 21 -
1.2.3.1.
Jednosměrná komunikace ................................................................. - 21 -
1.2.3.2.
Obousměrná komunikace .................................................................. - 21 -
1.2.3.3.
Transpondérový reţim....................................................................... - 22 -
Technologie DSRC 5,8 GHz ........................................................................................ - 23 2.1.
Obecný popis DSRC 5,8 GHz ........................................................................ - 23 -
2.2.
Komunikace .................................................................................................... - 24 -
2.3.
Management ................................................................................................... - 26 -
2.3.1.
Mechanismu „pomalého“ přístupu k datům ............................................. - 27 -
2.3.2.
Jádro OBE ................................................................................................ - 28 -
2.4.
Princip šifrování a enforcement ...................................................................... - 29 -
2.5.
Fyzická vrstva ................................................................................................. - 31 -
2.5.1.
Příjem ....................................................................................................... - 31 -
2.5.1.1.
Přenosové spektrum RSE vysílače .................................................... - 31 -
2.5.1.2.
Maximální EIRP pro příjem .............................................................. - 32 -
2.5.1.3.
Polarizace .......................................................................................... - 33 -
2.5.1.4.
Proces aktivace .................................................................................. - 33 -
2.5.2.
Odesílání ................................................................................................... - 33 -
2.5.2.1.
Modulace ........................................................................................... - 33 -
2.5.2.2.
Maximální EIRP pro odesílání .......................................................... - 34 -
2.5.3.
Přenosové rozhraní ................................................................................... - 34 -
2.5.3.1.
Mikrovlny - IEEE 802.11 .................................................................. - 34 -
2.5.3.2.
Indukční smyčky ............................................................................... - 37 -
2.5.4. 3.
Umístění OBE ................................................................................... - 19 -
Alternativní přenosové technologie ......................................................... - 37 -
Technologie DSRC 5,9 GHZ ....................................................................................... - 38 3.1.
Obecný popis DSRC 5,9 GHz ........................................................................ - 38 -
3.2.
Proces vysílání ................................................................................................ - 39 -9-
3.3.
Kanálová struktura.......................................................................................... - 43 -
3.4.
Přístup více kanálů ......................................................................................... - 44 -
3.4.1. 3.5.
IEEE 802.11e - EDCA mechanismus ....................................................... - 45 -
IEEE 802.11p ................................................................................................. - 46 -
3.5.1.
Struktura IEEE 802.11p ............................................................................ - 47 -
3.5.1.1.
4.
5.
Fyzická vrstva a IEEE 802.11p ......................................................... - 48 -
3.5.2.
Koordinace kanálů - jednokanálový WAVE ........................................... - 49 -
3.5.3.
WAVE mód .............................................................................................. - 51 -
3.5.3.1.
Zabezpečení WAVE .......................................................................... - 51 -
3.5.3.2.
WAVE BSS ....................................................................................... - 53 -
3.5.3.3.
Přenos bez WBSS.............................................................................. - 53 -
3.5.3.4.
Přenos s WBSS.................................................................................. - 54 -
3.5.3.5.
WBSS vysílání .................................................................................. - 55 -
Hlavní kategorie telematických aplikací ...................................................................... - 57 4.1.
Navigační systémy.......................................................................................... - 57 -
4.2.
Systémy řízení flotily ..................................................................................... - 57 -
4.3.
Systémy pro sledování nebezpečných látek ................................................... - 58 -
4.4.
Elektronický výběr mýta ................................................................................ - 58 -
4.5.
Systémy bezpečnosti a komunikace Car2X.................................................... - 58 -
4.6.
eCall ................................................................................................................ - 58 -
Porovnání DSRC 5,8 GHz a DSRC 5,9 GHz............................................................... - 60 5.1. Bezpečnost ........................................................................................................... - 61 5.2.
IPv6 ................................................................................................................. - 62 -
5.2.1.
Zjednodušení procesů ve směrovači ......................................................... - 63 -
5.2.2.
Zkušební projekt InternetCAR ................................................................. - 64 -
5.2.3.
Moţnosti vyuţití IPv6 .............................................................................. - 64 -
5.3.
Doporučení ..................................................................................................... - 64 -
6.
Závěr............................................................................................................................. - 66 -
7.
Literatura ...................................................................................................................... - 67 -
- 10 -
Seznam obrázků Obrázek 1 – Základní komunikační komponenty
19
Obrázek 2 - Aktivní úhel pro komunikaci s beaconem
20
Obrázek 3 – Schéma komunikace mezi OBE a RSE pro DSRC 5,8 GHz
25
Obrázek 4 - Zjednodušený OSI model
26
Obrázek 5 - Proces komunikace mezi OBE a RSE
28
Obrázek 6 - Aktivní úhel RSE vysílače
32
Obrázek 7 - Atmosférický útlum mikrovlnného spektra při hodnotě sráţek 0.001 mm
35
Obrázek 8 - Sada komunikačních protokolů přizpůsobených dopravnímu prostředí
38
Obrázek 9 - Alokace frekvencí v USA
39
Obrázek 10 – Procesy mezi vrstvami v RSE během komunikace s OBE [16]
42
Obrázek 11 - Funkce SCH a CCH
43
Obrázek 12 - Kanálový komparátor
45
Obrázek 13 - Včlenění kanálového komparátoru pro CCH a SCH do MAC vrstvy
46
Obrázek 14 - Začlenění 802.11p do WAVE
47
Obrázek 15 - Rozdělení kanálů pro WAVE aplikace
49
Obrázek 16 - Synchronizační interval
51
Obrázek 17 - Formy přenosů - broadcast, unicast
54
Obrázek 18 – Rozdělení počtu usmrcených podle typu účastníka za rok 2007 a 2008
61
Obrázek 19 – Statistické vyhodnocení nehodovosti v Praze
62
- 11 -
Seznam tabulek Tabulka 1 - Procesy v jádru čipu OBE jednotky
28
Tabulka 2 - Druhy spojení uplinku
32
Tabulka 3 - Parametry existujících druhů WiFi
36
Tabulka 4 - Data pro registraci profilu [16]
40
Tabulka 5 - Výkonnostní třídy pro IEEE 802.11p
49
Tabulka 6 - Popis WSA parametrů [16]
56
Tabulka 7 - Přehled vlastností DSRC 5,8 a 5,9 GHz [11], [12], [21]
60
- 12 -
Seznam použitých zkratek Zkratka
Anglický význam
Český význam
ACI
Access Category Index
Přiřazení důleţitosti poţadavku
ACn
Acknowledged Connectionless
Potvrzení navázání spojení
BER
Bit Error Rate
Bitová chybovost
BSSID
Basic Service Set Identification
Přiřazení jednotek do módu WAVE
BST
Beacon Service Table
Identifikace sluţeb silniční komponenty - RSE
CEN
Comité Européen de Normalisation / European Committee for Standardisation
Evropská standardizační komise
DCF
Distributed Coordination Function
Funkce rozloţené koordinace u IEEE 802.11e zaloţená na principu CSMA/CA
DSRC
Dedicated Short Range Communication
Úzce profilová komunikace krátkého dosahu
EDCA
Enhanced Distributed Channel Access
Princip umoţňující efektivnější koordinaci více kanálů
EFC
Electronic Fee Collection
Elektronický výběr mýta
EIRP
Equivalent Isotropic Radiation Power
Ekvivalentní izotropně vyzářený výkon
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
Evropský standardizační institut pro telekomunikace
FCC
Federal Communications Commission
Státní telekomunikační komise (USA)
FCS
Frame Check Sequence
Kontrolní sekvence rámců
GPS
Global Positioning System
Globální lokalizační systém
GSS
Global Specification for Short range communication
Globální specifikace pro komunikace krátkého
- 13 -
dosahu LID
Link ID
Označení spojení
LLC
Logical Link Control
Logická kontrola spojení
LSB
Least Significant Bit
Nejméně výrazný Bit
MAC
Medium Access Control
Kontrola přístupu multimédií
MIB
Management Information Base
Iniciátor jednotlivých vrstev
MLME
MAC Sublayer Management Entity
Management multimediální vrstvy
MPDU
MAC Protocol Data Unit
Operační paměť MAC vrstvy
MSB
Most Significant Bit
Nejvýraznější Bit
MSDU
MAC service Data Unit
Provozní datová jednotka MAC vrstvy
MTU
Maximum Transition Unit
Maximální velikost pro přenos
NEMO
Network Mobility
Princip umoţňující přesun celé podskupiny v síti
OBE
On Board Equipment
Palubní jednotka
OSI
Open Systems Interconnection
Model telekomunikační struktury
PAN
Personal Account Number
Identifikace vozidla
PHS
Personal Handy-phone System
Mobilní telefon
PLME
PHY Sublayer Management Entity
Management fyzické vrstvy
PMTU
Path Maximum transition unit
Metoda fragmentace paketů
Ppm
Parts per million
10-6
PrWA
Private Window Allocation
Alokace soukromého okna
PrWRq
Private Window Request
Poţadavek na přiřazení soukromého okna
RSE
Road Side Equipment
Infrastrukturní komponenta DSRC komunikace
RF
Radio Frequency (3 kHz – 300 GHz)
Rádiová frekvence
- 14 -
RTTT
Road Transport and Traffic Telematics
Silniční doprava a dopravní telematika
SAP
Service Access Point
Lokální přístupový bod
SSID
Service Set IDentification
Parametr WBSS vysílání
UI
Unnumbered Information
Neoznačená informace
UTC
Universal Time Coordinated Časový synchronizátor
VST
Vehicle Service Table
Seznam sluţeb v OBE jednotce
WAVE
Wireless Access in Vehicular Environments
Bezdrátový přístup v dopravním prostředí
WBSS
WAVE Base Service Set
Skupina mobilních stanic vyuţívajících WAVE aplikaci
WME
WAVE Management Entity
Management WAVE aplikace
WSA
WAVE Service Advertisement
Oznámení WAVE aplikace
WSM
WAVE Short Message
WAVE zpráva
WSMP
WAVE Service Message Protocol
Protokol sluţby zpráv WAVE aplikace
- 15 -
Úvod Kaţdý den dochází na silničních komunikacích k mnoha zbytečným incidentům. Nejedná se pouze o autonehody, ale také o kongesce a s tím související dopady na ţivotní prostředí a zdraví lidí v podobě psychického vypětí a pasivních inhalací škodlivin. Rovněţ lze poměrně exaktně vyčíslit astronomické finanční ztráty, pramenící z dopravních komplikací na silnicích. Je tedy třeba tyto rizikové faktory omezit a zároveň tak přispět k plynulosti a bezpečnosti dopravy. Z tohoto důvodu se velmi často zmiňují inteligentní systémy v podobě kooperativních systémů, které budou v budoucnu znamenat revoluci v dopravě. Je proto nezbytné mít k dispozici robustní a univerzální platformu, na které bychom mohli tyto aplikace provozovat. Záleţí jen na nás, jakým způsobem a jak rychle se zapojíme do tohoto globálního konceptu. Jako jedno z východisek této práce jsem se rozhodl vyuţít stávající systém elektronického mýta, pracující na technologii DSRC 5,8 GHz, který v České republice implementovala společnost Kapsch TrafficCom AG. Výběr je z důvodu jiţ vybudované infrastruktury mýtných bran, které pokrývají celkem více neţ 1270 km českých dálnic, rychlostních komunikací a vybraných silnic I.tříd1. V této práci budu porovnávat a hodnotit dvě nejrozšířenější současné technologie v pásmu 5 GHz (DSRC 5,8 GHz a DSRC 5,9 GHz). Zaměřuji se zde především na jejich vyuţitelnost v dopravním prostředí s důrazem na inteligentní dopravní systémy. Dále by bylo vhodné poukázat na některé současné telematické aplikace, které jsou u nás jiţ dnes provozovány pomocí technologií DSRC, jako je například elektronický výběr mýta (EFC) a zmínit některé telematické aplikace, které by u nás mohli být v budoucnu provozovány pomocí těchto mikrovlnných technologií. Tato bakalářská práce se skládá z teoretické části, ve které budou popsány hlavní vlastnosti jednotlivých technologií a také základní dělení telematických aplikací. Teoretická část se opírá zejména o znalosti vycházející z mnoha vědeckých prací a o nejnovější poznatky z konference projektu CVIS. Na tuto část navazuje praktické provedení testů a porovnání technologií. Praktická část je zaloţena na konzultacích a na vlastním měření za spolupráce jednoho z předních odborníků na konstrukci OBE jednotek u nás, Ing. Jaroslavem Altmannem ze společnosti Princip.
1
Pozn.: údaje se vztahují k 1.1.2010
- 16 -
Práce je rozdělena do pěti hlavních kapitol, které se snaţí pokrýt základní telekomunikační témata této technologie. Tato témata se týkající převáţně fyzické vrstvy, managementu jednotlivých procesů a komunikačních protokolů obou typů DSRC. Dalším velmi důleţitým tématem, které nelze opomenout, je provozní bezpečnost na komunikacích.
- 17 -
1. Úvod do problematiky technologie DSRC Tato kapitola obsahuje stručnou historii technologií DSRC 5,8 GHz a DSRC 5,9 GHz a zároveň uvádí současná fakta ohledně trendů v dopravním světě. Dále charakterizuje základní komunikační komponenty, které jsou společné pro obě technologie, a popisuje moţné druhy komunikace mezi nimi.
1.1.
Standardizace DSRC
Standardizace DSRC začala roku 1992 a skončila roku 1997 resp. 1999 v závislosti na kontinentu a druhu DSRC. V evropských a japonských podmínkách se po standardizaci rozšířilo převáţně DSRC 5,8 GHz, kdeţto v Severní Americe se uchytilo hlavně DSRC 5,9 GHz. V srpnu roku 2008 ETSI schválilo alokaci pro Evropu 30 MHz spektrum v pásmu 5,9 GHz, které bylo vyhrazeno pro ITS aplikace. V Americe došlo v říjnu roku 1999 také k přidělení specifického spektra 75 MHz v pásmu 5,9 GHz FCC pro technologii DSRC se záměrem pro jeho vyuţití v ITS [2], [3]. V současné době se DSRC 5,8 GHz vyuţívá jak v Evropě, tak v Japonsku [13] převáţně k elektronickému výběru mýta z důvodu přijatelných finančních dopadů na koncové uţivatele. Jiţ dříve však byly provedeny testy v reálných situacích, které prokázaly jednoznačnou všestrannost a efektivnost DSRC jako komunikačního rozhraní pro ITS. Především zde byl kladen důraz na spolehlivost, rychlost přenosu a s tím související témata. Z praktického hlediska byly tyto OBE jednotky příliš drahé (v některých případech by převyšovaly pořizovací cenu vozidla). Z tohoto důvodu bylo jejich plošné vyuţití odloţeno. DSRC systémy pouţívané v Evropě, Americe a Japonsku dnes nejsou kompatibilní.
1.2.
Komunikační komponenty
Komunikace DSRC probíhá přes dvě hlavní komponenty, OBE (On Board Equipment), kterému se také říká OBU (On Board Unit). OBE komponenta je umístěna ve vozidle. RSE (Road Side Equipment) je stacionární komponenta, která bývá zabudována do infrastruktury, jako je například mýtná brána [4]. - 18 -
Obrázek 1 – Základní komunikační komponenty
1.2.1. OBE jednotka OBE jednotka můţe operovat za pohybu na rozdíl od RSE a podporuje výměnu zpráv jak mezi OBE a RSE, tak mezi OBE jednotkami navzájem. Jejich hlavním úkolem je zvyšovat bezpečnost silničního provozu bez zbytečného vyrušování řidiče. OBE je tvořena přijímačem a vysílačem nebo pouze jedním z nich. Záleţí na typu dopravního prostředku nebo potřebách osádky, případně na lokalitě vyuţití – továrny atd. OBE je dále tvořena anténou nebo optickým systémem (IR – čočky / zrcadla). Pro řadu telematických aplikací se OBE vyuţívá jako transpondér (transmit + response). Taková jednotka se pak skládá z vysílače a přijímače [4], [5].
Vysílač: kodér, modulátor, vysílací modul
Přijímač: anténa, vstupní modul, vyhodnocovací elektronika
1.2.1.1.
Umístění OBE
OBE by mělo být umístěno a navrţeno tak, aby bylo vţdy schopno navázat spojení s RSE a naopak. Všechny RSE by měly být schopny spolupracovat se všemi OBE, které budou splňovat alespoň následující minimální poţadavky pro interoperabilitu. OBE by mělo být umístěno na dobře viditelném místě bez clonění s čistým průzorem, nejlépe těsně pod střechou osobního automobilu, a to tak blízko, jak to jen bude moţné vzhledem k nominální výšce 1,5 m. To většinou znamená umístění
- 19 -
pod zpětným zrcátkem. U autobusů to znamená uprostřed spodní hrany čelního skla. Pro příjem a odesílání (2.4.1. a 2.4.2.) by měl být splněn poţadavek na tzv. „aktivní úhel (active angle)“, coţ je maximální rozsah provozuschopnosti - minimální viditelnost RSE. o Horizontální: ±25° vzhledem k vertikální ploše kolmé na podélnou osu vozidla. o Vertikální: 35°˂ ϕ ˂80°, kde ϕ je úhel od podélné osy procházející pod střechou osobního automobilu v nominální výšce 1.5 m – obr. 2 [4].
Obrázek 2 - Aktivní úhel pro komunikaci s beaconem [1]
1.2.2. RSE jednotka RSE jednotka operuje pouze ve stacionární pozici a obsahuje podobně jako OBE buď anténu, nebo optickou část v závislosti na pouţitých výstupních modulech na OBE jednotce. Stacionární stanice mohou pracovat zcela autonomně bez vzdálené simultánní komunikace s řídící centrálou. Operátoři se mohou připojit na dálku na konkrétní RSE pomocí internetu a přenastavit ji dle potřeb. Pro telematické aplikace se však vyuţívá z důvodů interoperability spojení s řídící centrálou přes kabely, ale i bezdrátovými technologiemi (IEEE 802.11, IEEE 802.16 nebo GPRS/EDGE/UMTS).
- 20 -
1.2.3. Režimy komunikace 1.2.3.1.
Jednosměrná komunikace
Jednosměrná komunikace je nejjednodušší (nejlevnější) základní reţim, kde má OBE pouze přijímač a RSE má pouze vysílač. Je celkem zjevné, ţe v tomto případě můţe probíhat komunikace jen v jednom směru – odtud jednosměrný reţim. Přijímač a vysílač jsou stále aktivní a nepřecházejí do úsporného reţimu – sleep (viz dále). Komunikace probíhá v několika fázích: fáze 1 - vozidlo je mimo dosah vysílače fáze 2 – vozidlo je v dosahu vysílače, probíhá komunikace RSE
OBE
fáze 3 - vozidlo se dostane opět mimo dosah vysílače
1.2.3.2.
Obousměrná komunikace
a) Aktivace beaconu vozidlem
V tomto případě je v OBE i v RSE přijímač i vysílač. Přenos zde musí být velmi rychlý a spolehlivý (oběma směry), aby se přenos dat stihl dokončit ve velké rychlosti, tzn. během poměrně krátkého časového intervalu (jednotek milisekund). A to musí platit i pro vozidla jedoucí rychlostí větší neţ je předepsaná rychlost – z důvodu uploadu informací projíţdějících hasičských či sanitních záchranných vozů. fáze 1 - vozidlo je mimo dosah vysílače RSE fáze 2 – vozidlo se dostává do dosahu vysílače RSE, beacon je aktivován projíţdějícím vozidlem, přičemţ dostává ţádost o informace. Tato zpráva obsahuje mimo jiné svůj identifikační kód a typ poţadovaných informací. fáze 3 – zde dochází k předání poţadovaných informací, jsou-li dostupné. Beacon (vysílač) si ale můţe bez vědomí řidiče vyţádat informace o rychlosti, kategorii vozidla, případně i VIN nebo registrační značku. fáze 4 – zde jsou předány beaconu poţadované informace od RSE. Tato fáze se nemusí vţdy uskutečnit. fáze 5 – po opuštění vozidla dosahu beaconu se beacon vypne / uvede do úsporného reţimu. Některé RSE jednotky totiţ nejsou připojeny k el. rozvodné síti, ale mají vlastní baterie. - 21 -
Tento způsob komunikace umoţňuje selektivní komunikaci s různými typy vozidel – např. taxi, záchranná sluţba apod.
b) Aktivace vozidla beaconem
Tento reţim je velmi podobný předchozímu případu jen s tím rozdílem, ţe zde dochází k obrácené aktivaci. Beacon je neustále aktivní – trvale vysílá (není napájen z baterie) a OBE je v úsporném reţimu – SLEEP. Po průjezdu oblastí s aktivním beaconem, např. indukční smyčkou ve vozovce, dochází k jeho plné aktivaci – WAKE-UP a přeposlání poţadovaných informací.
1.2.3.3.
Transpondérový režim
Tranpondéry mohou být buď aktivní nebo pasivní. Pasivní transpondér přijímá elektromagnetickou energii vyslanou majáčkem, tu následně usměrní a pouţije k napájení vlastního čipu a odpovědi. Aktivní transpondér vyuţívá napájení z baterie. Tranpondéry jsou většinou umístěny za čelním sklem vozidla tak, aby byly v přímé viditelnosti beaconu. Transpondér přijme ţádost o identifikaci, tu dekóduje, vybere poţadované informace z paměti a následně odešle. Tato koncepce se uplatňuje zejména u elektronického výběru mýtného - EFC (Electronic Fee Collection), kde je moţné odečíst i z předem zaplacené částky, která je jako informace uloţena na čipové kartě [4].
- 22 -
2. Technologie DSRC 5,8 GHz Tato kapitola je úvodem do problematiky mýtných systémů u nás. Zaměřuje se především na základní tematické okruhy jako je management, proces komunikace, šifrování a enforcement. Dále se podrobněji zabývá fyzickou vrstvou a jejími přenosovými parametry.
2.1.
Obecný popis DSRC 5,8 GHz
DSRC 5,8 GHz operující na frekvencích 5,7975 GHz; 5,8025 GHz; 5,8075 GHz a 5,8125 GHz se pouţívá převáţně na evropském kontinentu a v Japonsku. V této práci bych se ale především chtěl zabývat DSRC 5,8 GHz v evropském kontextu. V Evropě jsou celkem dvě hlavní výzkumná střediska zabývající se touto technologií. Jedno z nich je v Itálii a druhé výzkumné centrum je v Norsku v Trondheimu. Na evropském trhu se ovšem prosadila pouze norská technologie, která se od italské koncepce trochu liší (např. v pouţité mikrovlnné technologii). Dle informací poskytnutých firmou Princip jsem zjistil, ţe nejpouţívanější typy čipů, které se dnes běţně pouţívají pro OBE jednotky, jsou Fela (Švýcarsko), Autostrade (Itálie), Qfree (Trondheim) a čipy od firmy Kapsch (Rakousko), která je známa zejména výrobou palubních jednotek Premid, které u nás slouţí k výběru mýta na dálnicích, rychlostních komunikacích a silnicích první třídy. Cena jednotky Premid je 42 eur(dle smlouvy se společností Kapsch). Tyto OBE jednotky mohou být napojeny na sběrnici FMS v případě, ţe jsou kladeny velké nároky na přesnost ujetých kilometrů (na úrovni ± 0,1 %). Sběrnice FMS tak můţe být dobrým zdrojem informací, především u satelitních mýtných systémů, kde můţe docházet k výpadkům signálu GPS. Sběrnice FMS je na rozdíl od sběrnice CAN otevřeným standardem, coţ umoţňuje její bezkonfliktní napojení na OBE jednotky. Tohoto principu je vyuţito především u aplikací fleet managementu. Tyto sběrnice jsou však implementovány pouze do nákladních automobilů. Sběrnice CAN má obecně na trhu mnohem komplikovanější postavení neţ sběrnice FMS, většinou se totiţ liší dle výrobce a také dle modelu, jak tomu je například u automobilky Škoda [5]. DSRC 5,8 GHz se v Evropě spojuje především s výběrem mýtného, a proto bych se rád věnoval této problematice trochu podrobněji. Mýtné systémy se začaly pouţívat v Německu v roce 2004, kde byly také poprvé pouţity OBE jednotky. V roce 2005 se objevily první elektromagnetické „vignety“, které se daly přilepit na čelní sklo automobilu. Dnes se jiţ přešlo na mikrovlnné technologie, které umoţňují dosahovat značně vyšších přenosových parametrů. Slovensko a Německo jsou dnes zatím jediné dvě země v Evropě, - 23 -
které mají mýtné systémy nezaloţené na bázi GPS technologie. U nás se o tomto přechodu rovněţ uvaţuje, ale prozatím se jedná o návrh a očekává se pilotní testování. Pokud by se tak ale stalo, byla by ČR jednou z mála zemí, která by měla hybridní mýtný systém (GPS a mikrovlnné jednotky). Zavedení satelitního výběru mýta by nám vyřešilo do budoucna problém koexistence obou systémů DSRC (5,8 a 5,9 GHz). Obě technologie totiţ spolu interferují při provozu ve stejné lokalitě. Přechod k satelitnímu výběru mýta by nám zároveň umoţnil vyuţít jiţ vybudovanou infrastrukturní síť mýtných bran k provozování kooperativních systémů v extravilánu díky všestrannějšímu systému DSRC 5,9 GHz.
2.2.
Komunikace
Vlastní komunikace probíhá tak, ţe OBE jednotka vyšle zprávu (PAN) zašifrovanou pomocí řídícího klíče (master key). Brána si z řídícího klíče vytvoří odvozený klíč (derived key), čímţ v podstatě znemoţní případný odposlech třetí strany a vyšle zašifrovanou zprávu zpět. Mezi OBE a RSE probíhá komunikace v cyklech. Takový cyklus se skládá ze dvou veřejných oken, dvou privátních oken a jednoho okna pro příjem. Kaţdé z těchto oken má délku cca 0,5 ms. Z toho plyne, ţe jeden cyklus trvá cca 2,5 ms. Komunikace je zde, podobně jako u DSRC 5,9 GHz, po skončení jednoho cyklu přerušena. Zpráva by se proto měla rozumně rozdělit, aby bylo moţné plynule navázat na komunikaci v novém cyklu. Toho lze dosáhnout například fragmentací větších paketů. Tento princip u nás ovšem není podporovaný. Pro názornost je maximální rychlost přenosu OBE jednotky (viz. 2.3.5.) 500 kbit/s ± 100ppm (62 500 bytů/s). Touto rychlostí bychom přenesli 22 bytů za 350 µs. Maximální moţná velikost zprávy je 127 bytů. Veřejná okna existují z důvodu přihlášení / registrace nově příchozího vozidla. Takové okno má délku přesně 448 µs. Druhé okno má své opodstatnění v případě, ţe by se pod mýtnou branou vyskytla dvě vozidla v těsné blízkosti. Během tohoto intervalu vozidlo obdrţí od beaconu aktivační signál GET.request, který uvede jednotku do stavu bdělosti (READY). Tento příkaz je v podstatě ţádostí brány o identifikaci vozidla (vyţádání PAN). Součástí poţadavku je BST (Beacon Service Table), kde RSE jednotka oznamuje čas, výrobce beaconu, počet aplikací k dispozici, identifikátor aplikace, se kterou se bude pracovat a další. BST je tvořen osmi bity, které identifikují všechny poţadované informace (př.: 0111 1001). OBE jednotka na tuto zprávu odpoví GET.respond, kde pošle bráně svůj - 24 -
PAN a VST (Vehicle Service Table). VST obsahuje podobně jako BST informace o jednotce, jen s tím rozdílem, ţe o jednotce ve vozidle. Po identifikaci vozidla můţe dojít k přechodu do privátního okna. Pro tento přechod si zaţádá jednotka o šifrování GET_STAMPED.request. Po předání zpráv dojde k zápisu o transakci na OBE jednotku pomocí příkazu SET.request. Tato informace zůstává v OBE jednotce z důvodu enforcementu. Následuje příkaz aktivující HMI (human machine interface), neboli jednotka oznámí řidiči proběhnutí transakce akustických signálem („pípne“). Tento příkaz má následující tvar: SET_MMI.request. Komunikaci uzavírá dotaz RSE jednotky EVENT_REPORT.request, kde se jednotka dotazuje na další transakci. V případě, ţe jiţ není potřeba provést další operaci, OBE jednotka jiţ neodpovídá a komunikace je ukončena. Výše popsanou komunikaci názorně shrnuje následující schéma:
Obrázek 3 – Schéma komunikace mezi OBE a RSE pro DSRC 5,8 GHz
Kaţdá z výše jmenovaných akcí trvá okolo 5 ms, coţ znamená, ţe běţná mýtná transakce trvá cca 30 ms. Kdyţ si vezmeme vozidlo pohybující se rychlostí 200 km/hod a komunikační pásmo 4 m, dojdeme k závěru, ţe by takové vozidlo setrvalo v čtecí zóně cca
- 25 -
74 ms. Z toho plyne, ţe pro mýtné transakce je stávající mikrovlnný systém dostačující. To se ovšem nedá říct o případném vyuţití kooperativních systémů [5].
2.3.
Management
Protoţe DSRC pracuje s aplikacemi v reálném čase, vyuţívá zjednodušené architektury pouze o třech vrstvách (nikoli sedm vrstev jako v klasickém ISO/OSI modelu) viz obr. 4 [1].
Obrázek 4 - Zjednodušený OSI model [1]
Standardy EN 12253 (DSRC fyzická vrstva), EN 12795 (DSRC datová vrstva), EN 12834 (DSRC aplikační vrstva) tedy specifikují základní komunikační vrstvy na OSI modelu pro DSRC. Jedním z velkých problémů je v této oblasti přechod z aktivního do pasivního módu a naopak, a to zejména při kritických situacích. Z tohoto důvodu je třeba poţadovat od OBE jednotek specifické chování, které by bylo schopno v případě potřeby krátkodobě přejít ze stavu pasivního do stavu aktivního. Tento problém je řešen zejména v MAC, LLC a aplikační vrstvě. Komunikace mezi OBE a RSE je ovlivněna nejen rozdílnými formáty zpráv od různých výrobců, ale i procedurou „handlingu“ (předáváním) kritických zpráv. Výše popsaná procedura by mohla tento problém odstranit bez ohledu na rozdílnost výrobců. Management – iniciace jednotlivých vrstev se děje pomocí tzv. MIB (Management Information Base). MIB obsahuje seznam vlastností operací, které je třeba vykonat. Pro nastavení (SET) nebo získání (GET) informací o MIB se pouţívají příkazy ve formě REQUEST s následným potvrzením z druhé strany CONFIRM. Tento příkaz předchází určení entity managementu patřičné vrstvy (MLME nebo PLME). V následujícím textu jsem je proto označil znakem XLME indikující neurčitost vrstvy [1]. XLME-GET.request
(MIBattribute):
MIBattribute. - 26 -
Vyţádání
hodnot
pro
specifické
XLME-GET.confirm
(status,
MIBattribute,
MIBattributevalue):
Vrací
potvrzení o vyţádaném stavu MIB. Pokud se operace zdařila, objeví se v políčku status hodnota success. V opačném případě nastala pravděpodobně jedna z následujících chyb: a) invalid MIB attribute – neplatná dotazovaná hodnota vlastnosti (attribute) b) attempt to get write-only attribute – pokus získat vlastnost dostupnou pouze pro zápis XLME-SET.request (MIBattribute, MIBattributevalue): Poţaduje, aby byla nastavena nová MIB vlastnost na patřičnou hodnotu. Pokud tato vlastnost vede k určité operaci, bude tato operace následně vykonána. XLME-SET.confirm (status, MIBattribute): Vrací potvrzení o vyţádaném nastavení vlastnosti MIB na poţadovanou hodnotu. Pokud se operace zdařila, objeví se v políčku status hodnota success. V opačném případě se v políčku status objeví oznámení o chybě. o invalid MIB attribute – neplatná dotazovaná hodnota vlastnosti (attribute) o attempt to get write-only attribute – pokus získat vlastnost dostupnou pouze pro zápis Pokud změna MIB vlastnosti vedla k určité operaci, potom se zde objeví oznámení o splnění konkrétní operace. Ovšem existují určité druhy poţadavků, které jsou vyvolány SAP (Service Access Point) a nevedou k získání (GET) nebo nastavení (SET) vlastností MIB. Jeden z těchto případů je běţně prováděn kaţdým SAP [1]: XLME-RESET.request: poţadavek na resetování hodnoty MIB XLME-RESET.confirm: potvrzení o resetování hodnoty MIB
2.3.1. Mechanismu „pomalého“ přístupu k datům Základní myšlenka je umoţnit OBE aktivně poţadovat soukromé okno, po obdrţení pozitivní reakce od RSE. Po vytvoření soukromého kanálu jsou data vysílána do RSE za pouţití UI LCC (Unnumbered Information) sluţby. XX.request vytváří libovolný příkaz v aplikační vrstvě, který zapříčiňuje pomalý přístup k datům uvnitř OBE jednotky (viz. obr. 5) [1]. - 27 -
Procesy uvnitř OBE: Po obdrţení kladné odpovědi na ţádost o komunikaci OBE vyčká na další BST a poté zaţádá o okno pro vlastní přenos dat (PrWRq). PrWRg – Privat Window Request PrWA – Privat Window Allocation Acn – Acknowledged Connectionless Obrázek 5 - Proces komunikace mezi OBE a RSE [16]
2.3.2. Jádro OBE Jádro OBE jednotky musí brát v potaz následující úkony: Přechod z aktivního do pasivního módu a naopak Provoz DSRC MAC Provoz DSRC LLC Pomalý přístup k datům (viz výše) Inicializační proces (I-Kernel) Všechny tyto pochody spolupracují dohromady – tato závislost je popsána v následující tabulce: Moţné stavy (tab. 1) [1]
Tabulka 1 - Procesy v jádru čipu OBE jednotky
Stav
Popis Toto je normální pasivní stav (spánek) z důvodu úspory baterie. V tomto
SLEEP
stavu je jednotka schopna zaznamenat příchozí pakety, ale nedochází k jejich zpracování.
BLOCKED
Tento stav je podobný stavu SLEEP jen s tím rozdílem, ţe příchozí
- 28 -
pakety neregistruje – „nevidí“, neboť je Wake-up signál blokovaný. Pouţívá se k výraznější úspoře baterie za specifických situací. V tomto stavu jednotka očekává příchod dalších příkazů. Při indikaci tohoto stavu můţe být nastavena niţší spotřeba energie, jedná se ale
WAIT
spíše o volitelný parametr. COM_READY
EVAL_BST
Po stanovení LID (Link ID) je v tomto stavu OBE schopna přijímat a zpracovat příchozí pakety. Tento stav je interní stav OBE, který vzniká po ukončení procesu. OBE analyzuje poslední příchozí BST a čeká na následující akce. OBE očekává PrWA (Private Window Allocation) od RSE, aby mohlo
INIT
poslat VSA (Vehicle Service Table). INIT je stav pro všechny pakety, které nemají PrWA.
READY
BUSY
DATA_1
V tomto stavu můţe OBE přijímat a zpracovávat pakety, pokud jiţ má přidělenou LID. OBE zpracovává proces, který nemohl být dokončen během 160+320=480µs (=T3+T4a). OBE má pozitivní odpověď v zásobníku (bufferu) SAVE a očekává BST, aby mohlo poslat PrWRq. V tomto stavu OBE očekává PrWA, aby mohlo poslat zprávu do
DATA_2
zásobníku SAVE v přiděleném soukromém okně. Objevuje se pro pakety, které nemají přidělené PrWA.
2.4.
Princip šifrování a enforcement
Šifrování se dnes jiţ stalo nedílnou součástí všech moderních bezdrátových i kabelových přenosových technologii. Díky narůstajícímu počtu odposlechů si dnes jiţ prakticky nelze představit bezpečný systém bez adekvátního šifrování. K šifrování slouţí tzv. šifrovací klíče, díky kterým si druhá strana můţe zprávu dešifrovat. Nedílný problém který tu ovšem nastává, je distribuce těchto klíčů. Tato distribuce klíčů pro systém Enigma byla za druhé světové války velkým logistickým problémem německé říše. V tomto případě to měli - 29 -
Němci o to těţší, ţe se tyto klíče měnily ze dne na den. Dnes jiţ tento sloţitý logistický proces odpadl a zmenšil se do předem naprogramovaných typů klíčů, které se mohou v případě prolomení jednoho z nich (jeţ je právě aktivní), dálkově přepnout na všech mýtných branách. Prolomit tyto klíče není samo o sobě nic jednoduchého, protoţe se pouţívají 56 bitové klíče pro symetrickou šifru. Ovšem jiţ v padesátých letech byly tyto klíče poprvé prolomeny odpovídající výpočetní kapacitou. Z tohoto důvodu se dnes v mýtných systémech pouţívá trojité šifrování (3 x 56 bitů), kde se zpráva zašifruje prvním klíčem (ten z pravidla odpovídá třetímu klíči) a následně se opět zašifruje druhým klíčem (ten se od prvního a třetího klíče liší) a nakonec se opět zašifruje třetím klíčem (tzn. opět prvním klíčem). Neboli efektivní délka šifrování jsou dva klíče. K tomuto druhu šifrování se pouţívá symetrický šifrovací algoritmus známý jako 3DES (triple DES). Ten byl jiţ samozřejmě překonaný šifrovacím algoritmem AES, ale v době výstavby mýtných bran byl algoritmus 3DES povaţován za dostatečnou ochranu. Dnes existují dvě hlavní šifrovací skupiny, a to asymetrické a symetrické šifrovací algoritmy. Mýtné systémy spadají do kategorie symetrického šifrování. Symetrie zde vzniká existencí stejného klíče na obou stranách přenosu (v OBE a na mýtné bráně). Pro představu dnes zařízení na mýtné bráně stojí cca 250 000 Kč. Všechny OBE jednotky, stejně jako RSE jednotky, disponují od výrobce jiţ předem nastavenými 8 šifrovacími klíči. Tyto klíče ovšem nejsou všechny aktivní. Aktivní je vţdy pouze jedna sada šifrovacích klíčů a to celoplošně. Zbylé klíče jsou nainstalovány z důvodu, kdyby došlo k prolomení aktivního klíče. V takovém případě lze pomocí vzdálené správy přepnout všechny RSE jednotky na jinou sadu z osmi šifrovacích klíčů. Tuto kompletní sadu 8 šifrovacích klíčů ovšem nelze nahrazovat ani na dálku ani ji nahrát manuálně přímo do brány. A proto v případě potřeby jejich nahrazení, musí přijít servisní technik a vyměnit čipy. Enforcement je u nás sloţitější neţ v jiných zemích, kde například pomocí IR technologií lze kontrolovat jednotky ve vozidlech i z vedlejšího pruhu (případně i ze zadu). U nás se musí kontrolní vozidlo dostat před kontrolované vozidlo, z důvodu úzce směrového komunikačního kuţelu, který se u nás pouţívá pro komunikaci mikrovlnných technologií. Dnešní čipy, vyuţívající mikrovlnné technologie, nejsou nijak dokonalé. Vzhledem k informacím, které jsem měl k dispozici mohu konstatovat, ţe v OBE jednotce u technologie DSRC 5,8 GHz dochází k přijetí, zpracování a následnému odeslání zprávy
- 30 -
zpět k RSE jednotce za vyuţití energie převáţně ze signálu přijaté zprávy. Jedná se tedy o pasivní transpondérový reţim komunikace (viz. 1.2.3.). To má i své výhody, například baterie napájející OBE jednotky vydrţí v tomto případě aţ 7 let [5].
2.5.
Fyzická vrstva
Poţadavky pro DSRC komunikaci bychom v prvé řadě mohli rozdělit na dva přenosové směry. Kaţdý směr má totiţ svoje vlastní poţadavky na fyzickou vrstvu (2.5.1. a 2.5.2.) [1]. Příjem:
RSE
OBE
Odesílání:
OBE
RSE
2.5.1. Příjem V Evropě jsou povoleny následující čtyři nosné frekvence pro příjem: 5,7975 GHz 5,5025 GHz 5,8075 GHz 5,8125 GHz Přičemţ odchylka od nominálních hodnot nesmí být větší neţ ±5 ppm (parts per milion) za všech provozních podmínek. Minimální šířka pásma OBE přijímače je 5,795 – 5,815 GHz. Přenosová rychlost by měla být 500 kbit/s ± 100ppm [1].
2.5.1.1.
Přenosové spektrum RSE vysílače
Hlavním poţadavkem pro vysílače RSE je, aby vyzařované EIRP (Equivalent Isotropic Radiation Power) bylo menší jak -30 dBm mimo pouţívané frekvenční pásmo 5,795 – 5,815 GHz. Nosná frekvence frekvence
pro RSE je ± 1,5 MHz nebo ± 2,0 MHz. Pro přilehlé
platí stejné hodnoty pro odesílání, kde
doplňuje zbytek nosných frekvencí
k 5,7975 GHz; 5.5025 GHz; 5,8075 GHz a k 5,8125 GHz [1]. Při navázání spojení s OBE, RSE odesílání dosahuje jedné z následujících hodnot (tab.2)
- 31 -
Tabulka 2 - Druhy spojení při odesílání
Druh spojení
Všechny třídy, Class B
Class C
nemodulovaná nosná vlna Odesílání
< -27 dBm
< -17 dBm < -27 dBm
Odesílání
< -27 dBm
< -27 dBm < -27 dBm
Přilehlý kanál při odesílání < -47 dBm
< -37 dBm < -47 dBm
Poţadavky jsou stanoveny pro šířku pásma 500 kHz. BER nesmí být větší neţ
. Při
poklesu výkonu vysílače pod – 60 dBm by nemělo dojít k navázání komunikace [1].
2.5.1.2.
Maximální EIRP pro příjem
Maximální EIRP RSE vysílače by mělo být menší neţ + 33 dBm. Přičemţ by měl být RSE vysílač orientován tak, aby EIRP bylo pod + 18 dBm pro úhel větší neţ 70° vzhledem vertikální ose. Neboli většina vysílané energie by měla být směřována k zemi viz. obr. 6 [1]:
Obrázek 6 - Aktivní úhel RSE vysílače
- 32 -
2.5.1.3.
Polarizace
Polarizace by měla být levostranně točivá (s postupem času vytváří vrchol vektoru elektrického pole kruţnice, přičemţ postupuje proti směru hodinových ručiček). Následující polarizační hodnoty síly signálu nezahrnují externí rušení [1]:
V optické ose (boresight) směrového vysílače RSE:
> 15 dB
V optické ose (boresight) přijímače OBE:
> 10 dB
Pro RSE vysílač v aktivním úhlu OBE:
> 10 dB
Pro OBE přijímač v aktivním úhlu OBE:
> 6 dB
2.5.1.4.
Proces aktivace
OBE by mělo být schopno se probudit příjmem běţného datového rámce. Neboli datové pakety nemají ţádný specifický tvar nebo seskupení. Délka datového rámce by neměla přesáhnout 11 bytů (88 bitů) včetně hlavičky („flags“). Čas potřebný pro přechod ze stavu SLEEP do plného naběhnutí DSRC jednotky by měl být menší neţ 5 ms [1].
2.5.2. Odesílání Nosné frekvence pro upload jsou stejné jako pro download. S tím rozdílem, ţe přenosová rychlost dosahuje pouze 250 kbit/s ± 0,1%. 1,5 MHz ± 0,1%, nebo 2,0 MHz ± 0,1%. OBE by mělo být schopno komunikovat pomocí frekvence, kterou jí nařídí RSE vzhledem k vybranému komunikačnímu profilu. Polarizace dosahuje stejných hodnot jak pro upload, tak pro download [1].
2.5.2.1.
Modulace
Pro modulace pomocné nosné vlny pří odesílání se vyuţívá ASK. Fázová změna směru pomocné nosné vlny je generována při kaţdé změně zakódovaných dat. Nosná vlna je namodulovaná tak, ţe se vynásobí (multiplikují) modulovaná pomocná nosná vlna - 33 -
s nosnou vlnou. Data by tak měla nabývat stejných hodnot i po demodulaci na druhé straně – RSE [1].
2.5.2.2.
Maximální EIRP pro odesílání
EIRP (Equivalent/Effective isotropically radiated power) je maximální mnoţství energie, které je teoreticky moţno naměřit z isotropické antény ve směru jejího maximálního zesílení. Maximální EIRP na pomocné nosné vlně by mělo být menší neţ -14 dBm v optické ose a méně neţ -17 dBm při odklonu o více jak 35° od optické osy směrového vysílače. Obecně by vyzařované EIRP nemělo být menší neţ -30 dBm při 1 MHz mimo pouţité frekvenční pásmo. Zesílení OBE se měří při minimálním vysílacím výkonu v komunikační oblasti a mělo by se pohybovat mezi 1 dB a 10 dB. EIRP se počítá jako síla vysílače OBE ( ) mínus přenosové ztráty ( ) plus zesílení antény (
) [8].
Rovnice pro výpočet EIRP:
Výpočet dBm neboli decibel na 1 mW se počítá jako:
2.5.3. Přenosové rozhraní 2.5.3.1.
Mikrovlny - IEEE 802.11
IEEE 802.11 definuje fyzickou vrstvu a částečně i MAC vrstvu, které jsou zaloţeny na CSMA/CA (Carrier sense Multiple access with collision Avoidance). Pod tímto označením operuje celá řada standardů, které dohromady vytvářejí WLAN (Wireless Local Area Network). Komunikace přitom probíhá zejména ve frekvenčních pásmech 2,4 GHz, 3,6 GHz a 5 GHz. Tato frekvenční pásma vymezuje a spravuje IEEE LAN/MAN Standards Committee (IEEE 802). Rodina 802.11 pouţívá „bezdrátové“ (over-the-air) modulační techniky jako (DSSS, OFDM), které jsou zaloţeny na původním protokolu (802.11a). Nejpouţívanější protokoly jsou z celé řady 802.11b a 802.11g. Oficialně první bezdrátovou - 34 -
sítí byla v roce 1997 802.11a, ale skutečně celosvětově první pouţívanou bezdrátovou sítí byla aţ 802.11b. V jejíţ stopách dále následovaly 802.11g a 802.11n. Bezpečnost byla z počátku velmi slabá, ale zlepšila se s příchodem dodatku 802.11i. Ostatní standardy v této rodině (c-f, h, j) jsou pouze rozšíření zvyšující spolehlivost a robustnost. Tyto ostatní standardy jsou pouze rozšířením původního protokolu 802.11a. IEEE 802.11 má dva základní provozní modely [6], [7]: Mód Ad hoc – Peer to Peer přenos mezi mobilními jednotkami (P2P – přímé spojení bez nutnosti centrálního propojovacího uzlu) Infrastrukturní mód – mobilní jednotky spolu komunikují přes AP (Access point) Potencionální vyuţití 802.11 v DSRC/ITS vychází opět ze základního standardu 802.11a, který je v bezlicenčním pásmu (2.4 GHz) jak u nás, tak i v Americe [1], [6]. 802.11a je součástí fyzické vrstvy DSRC 5,9 GHz. Díky implementaci 802.11p se tak totiţ stal pouţitelným i v dopravních podmínkách. Následující obrázek (Obr. 7) nám ukazuje kvalitu vybraných spekter pro mikrovlnné aplikace vyuţívající DSRC.
Obrázek 7 - Atmosférický útlum mikrovlnného spektra při hodnotě srážek 0.001 mm [25]
Problém zde ovšem nastává v interferencích, které se mohou vyskytovat v pásmu 2,4 GHz. Tyto interference mohou vznikat díky širokému spektru zařízení, která dnes v bezlicenčním pásmu 2,4 GHz bezplatně operují. Jedná se především o technologie Bluetooth (802.15.1), PHS, alarm u automobilů, mikrovlnné trouby, WiFi sítě a ZigBee (802.15.4). - 35 -
Následující tabulka (tab. 3) shrnuje nejpouţívanější standardy skupiny 802.11 [7]: Tabulka 3 - Parametry existujících druhů WiFi [7]
Standardy řady 802.11 Typ Protokolu
Frekvence Vydáno (GHz)
802.11
-
červen 1997
2,4
Šířka pásma
září 1999
rychlost
(MHz)
(Mbit/s)
20
1; 2
5 a
Přenosová
Počet MIMO
Typ
zdrojů
Modulace
[1]
1
DSSS
6; 9; 12; 20
3,7
18; 24; 36; 48;
1
Dosah
Dosah
uvnitř
venku
(m)
(m)
20
100
35
120
-
5 000
38
140
38
140
70
250
70
250
OFDM
54 b
září 1999
2,4
20
1; 2; 5,5; 11
1
DSSS
1, 2, 6, 9, g
červen 2003
,.4
20
12, 18, 24, 36,
1
OFDM, DSSS
48, 54 7,2, 14,4, 21,7, 20
n
říjen 2009
28,9, 43,3, 57,8, 65,
2,4/5
72,2
4
OFDM
15, 30, 40
45, 60, 90, 120, 135, 150
- 36 -
2.5.3.2.
Indukční smyčky
Indukční smyčky mají jednu velkou výhodu oproti ostatním komunikačním zařízením a to zejména v tom, ţe jsou jiţ dnes velmi hojně rozšířeny po většině intravilánu v podobě dopravních detektorů. Tyto dopravní detektory (indukční smyčky) jsou spojeny s dopravními řadiči, čímţ zpětnou vazbou dochází k řízení dopravy. Indukční smyčky ale nereagují pouze na přítomnost vozidel, ale mohou nám také kategorizovat vozidla nebo měřit jejich rychlost (z náběţné hrany záznamu rozladění nebo pomocí dvou smyček) [4]. Jak je vidět, tak by nám indukční smyčky mohly slouţit jako velmi uţitečný zdroj pro predikci dopravních kongescí a mohly bychom tak v dostatečném předstihu informovat řidiče pomocí OBE jednotek. Dále by indukční smyčky mohly přispívat k dynamičtějšímu řízení dopravy v intravilánu. Velmi podstatný je ale fakt, ţe bychom byli schopni vyuţívat indukční smyčky jako RSE vysílače/přijímače v intravilánu bez nutnosti instalace beaconů na stoţáry nad komunikacemi. Další velkou výhodou je fakt, ţe indukční smyčky v podstatě nejsou vidět. Navíc většina lidí vůbec netuší, ţe nějaké indukční smyčky ve vozovce existují, tudíţ lze předpokládat, ţe by proti jejich instalaci a dalšímu vyuţívání byl jen minimální odpor. 2.5.4. Alternativní přenosové technologie Nelze opomenout ani ostatní komunikační technologie, které by se samozřejmě mohly za příznivých okolností také podílet na přenosovém rozhraní mezi OBE a RSE. Tyto technologie jiţ byly dříve popsány v mnoha vědeckých pracích, a tudíţ bych je zde rád zmínil:
IR,
IEEE 802.16e – WiMAX,
ZigBee,
PAN – IEEE 802.15.1,
GPRS / EDGE / UMTS
- 37 -
3. Technologie DSRC 5,9 GHZ Kapitola DSRC 5,9 GHz podrobněji rozebírá vlastní komunikaci mezi OBE a RSE jednotkami se zaměřením na specifika této technologie. Zaměřuje se tedy především na strukturu kanálů, jejich management a dále charakterizuje WAVE mód, který by mohl mít v budoucnu nemalý význam v dopravním prostředí.
Obrázek 8 - Sada komunikačních protokolů přizpůsobených dopravnímu prostředí [15]
3.1.
Obecný popis DSRC 5,9 GHz
DSRC 5,9 GHz je známo téţ jako nejrozšířenější vyuţití aplikace WAVE, která se pouţívá zejména v Americe a to na frekvencích 5,850 GHz a 5,925 GHz. WAVE poskytuje sadu komunikačních protokolů přizpůsobených dopravnímu prostředí (obr. 8), a to jak pro soukromé účely zákazníka, tak i pro bezpečnostní účely. Projekt CVIS prokázal, ţe je nutné implementovat obecnou platformu namísto ryze jednoúčelového aparátu, která bude otevřena nejrůznějším aplikacím a protokolům. To by mělo zabezpečit dostatečnou atraktivitu pro nejrůznější sektory lidské činnosti, a tím zaručit sníţení ceny na přijatelnou úroveň [10]. Tato technologie umoţňuje komunikaci V2X a pracuje v pásmu 75 MHz při frekvenci 5,9 GHz, která umoţňuje dosáhnout značných datových přenosů (6 Mbps - 27 Mbps). Ovšem vyuţití takového přenosového spektra v mobilním prostředí by bylo umoţněno aţ díky novým standardům podporujícím komunikaci za pohybu v reálném čase (IEEE 802.11p, IEEE 802.11e), protoţe klasické WLAN technologie nepočítají s vysokými rychlostmi mezi komunikujícími jednotkami. Standard IEEE 802.11p by se tak měl stát propojovacím můstkem mezi WLAN a RTTT.
- 38 -
Fyzická a multimediální vrstva pouţívají jako základní přenosový standard WiFi neboli IEEE 802.11a/b/g/n, který pracuje jako bezdrátový standard v Ethernetovém prostředí. Tento standard spadá do kategorie WLAN, kam patří mimo jiné také UMTS nebo WiMax [9].
Obrázek 9 - Alokace frekvencí v USA [15]
DSRC 5,9 GHz rozděluje pásmo 75 MHz na 10 MHz kanály [13]. To umoţňuje RSE v dosahu jednotky poskytovat různé sluţby bez interferencí. To je umoţněno také díky tomu, ţe protokoly fyzické vrstvy jsou zaloţeny na standardu IEEE 802.11a, který obsahuje mimo jiné jiţ existující komerční přenosové komponenty. Tím ovšem vzniká nový problém z hlediska bezpečnosti. Kaţdá jednotka by tak mohla slyšet všechny okolní jednotky. Tento problém je však ošetřen ve vyšších vrstvách IEEE 1609.3 a IEEE 1609.4.
3.2.
Proces vysílání
Proces vysílání probíhá mezi vrstvami na RSE jednotce následujícím způsobem (viz. Obr. 16) [16]: 1) LLC pošle MSDU do MAC 2) Směrovač kanálů prozkoumá EtherType 3) Typy MSDU2 a) 0x86DD je EtherType, který indikuje, ţe bude následovat IP hlavička b) 0x88DC indikuje WSMP
2
Pozn.: EtherType je unikátní hodnota, která jednoznačně identifikuje protokol, který má být pouţit pro přenos dat v MAC vrstvě. Pak můţe koexistovat i více protokolů v jedné MAC vrstvě.
- 39 -
Tyto EtherTypy jsou registrovány ve WME (IEEE 1609.3) nebo v operačním systému, kde operují MAC podvrstvy. -
Pokud Ethertype indikuje WSMP, kanálový směrovač vyhledá číslo kanálu ve WSMP hlavičce a určí AC (Access Category) MSDU na základě druhu kanálu a uţivatelské priority. Pokud je číslo kanálu neplatné / nebylo nalezeno je MSDU zahozeno.
4) Pokud je EtherType IP, kanálový směrovač určí AC náleţející SCH dle uţivatelské priority. Následuje proces koordinace kanálů popsaný v 4.4.3. Koordinace kanálů – single channel WAVE. 5) MAC vybere MSDU, které získalo poţadovaný kanál. Znovu se prozkoumá EtherType MSDU. -
Pokud jsou data (data unit) ve formě WSM, pak jsou DataRate a PowerLevel, které jsou uloţeny v hlavičce WSMP, pouţity pro konfiguraci bezdrátového přenosu.
-
Pokud jsou data (data unit) ve formě IP, pak jsou DataRate a PowerLevel, které jsou uloţeny v registrovaném profilu vysílače, pouţity pro konfiguraci bezdrátového přenosu3, viz následující tabulka 4.
Tabulka 4 - Data pro registraci profilu4 [16]
Jméno SCH číslo
Typ Celé číslo
Rozsah 0 – 200
Popis RF číslo kanálu pro SCH Pokud je hodnota TRUE, jsou DataRate a PowerLevel
Adaptable
Boolean (primit.fce.)
TRUE / FALSE
adaptabilní. Pokud je hodnota FALSE, nejsou DataRata a PowerLevel adaptabilní. V případě FALSE se pouţije
3
Pozn.:MLME-REGITERTXPROFILE.request je vygenerován WME pro registraci profilu vysílače v MLME. 4 údaje v tabulce 5 odpovídají PHY MIB (IEEE P802.11p) a IEEE 1609.4
- 40 -
aktuální dostupné hodnoty DataRate a PowerLevel. PowerLevel je maximální Celé číslo
PowerLevel
1 – 64
přenosový výkon, který nastaví horní hranici pro výsledný přenosový výkon. DataRate je minimální přenosová
Celé číslo
DataRate
1–8
rychlost, která nastavuje spodní hranici pro výsledný přenos.
Příklad: Výsledná forma zprávy pro registraci vysílače: MLME-REGISTERTXPROFILE.request( Service Channel Number, Adaptable, PowerLevel, DataRate ) 6) Hodnoty DataRate a PowerLevel se uloţí do TXVECTOR v MPDU5. Zde je popis přenosu dat MPDU mezi multimediální (MAC) a fyzickou (PHY) vrstvou: a) PHY oznámí volný kanál MAC vrstvě pomocí PHY-CCA.indication (signalizující stav pro nečinný kanál - IDLE). b) MAC vyšle PHY-TXSTAR.request (TXVECTOR) PHY vrstvě. PHY zašle potvrzení zpět MAC vrstvě ihned, jakmile zajistí potřebný DataRate a PowerLevel. c) Poté si MAC a PHY vymění data pro přenos pomocí série PHYDATA.request (označení - DATA). PHY zpětně potvrzuje převzetí dat pomocí PHY-DATA.confirm.
5
Pozn. TXVECTOR reprezentuje seznam parametrů, které MAC poskytne PHY vrstvě pro přenos dat.
- 41 -
d) Poté co se odešle poslední bit z MPDU se spojení ukončí příkazem z MAC vrstvy pomocí PHY-TXEND.request. 7) Pokud přenos MPDU není kompletní během naplánovaného stráţného intervalu (guard interval) dojde opět k přerušení přenosu pomocí PHY-TXEND.request. Tomu lze ovšem zamezit výše zmíněnou metodou v kapitole koordinace kanálů. 8) LLC čeká na výsledný status od MAC vrstvy [16].
Obrázek 10 – Procesy mezi vrstvami v RSE během komunikace s OBE [16]
- 42 -
3.3.
Kanálová struktura
V této podkapitole bych se rád zaměřil na významné specifikum technologie DSRC 5,9 GHz, a to na jeho kanálovou strukturu. Díky této kanálové struktuře dokáţe tato technologie poskytovat běţné sluţby a zároveň plošně komunikovat s ostatními jednotkami pomocí WAVE módu. U DSRC 5,9 GHz dochází k takzvanému rozdělení komunikačního terminálu na dva módy: „Provider“ – (dále jen poskytovatel) - SCH – Service Channel a „User“ (dále jen uţivatel) - CCH – Control Channel, Tím dochází k rozdělení komunikačního kanálu na dva střídající se intervaly po 50ms. V poskytovatelském módu vysílá terminál WSA (WAVE Service Advertisement) na CCH během CCH intervalu. Tento interval sledují všechny terminály ve stejný čas. Všechny obdrţí WSA, které obsahuje BST (Beacon Service Table) - seznam všech dostupných sluţeb poskytovaných tímto uzlem RSE (Road Side Equipment), které můţe poskytovat během SCH intervalu. Dále obdrţí ve WSA číslo kanálu, který jim byl přiřazen pro komunikace s beaconem. Jednotlivé sluţby jsou označeny PSID (Provider Service Identifier) [9]. Během intervalu vyhrazenému pro CCH se vysílají přednostně zprávy s vysokou důleţitostí, jako je například otázka bezpečnosti provozu v dané lokalitě. Zprávám s nízkou / niţší prioritou vyuţívající IP protokol je dočasně omezen přístup k SCH během SCH intervalu. Takto vytvořená hierarchie zaručuje včasné doručení provozně důleţitých zpráv všem OBE jednotkám v dané lokalitě bez nadbytečných časových prodlev. Ostatní méně důleţité zprávy mohou být doručovány ostatními provozními kanály a tím lze dosáhnout tzv. odstranění datových kongescí na hlavních distribučních kanálech.
Obrázek 11 - Funkce SCH a CCH [16]
- 43 -
IP přenosy obvykle vyţadují síťová nastavení, a jak je vidět z předchozích odstavců, tak protokol DSRC nic takového nepodporuje (ale nevylučuje) z důvodu zrychlení / usnadnění přenosových vlastností mezi vysílači a přijímači. WSA ale rovněţ můţe obsahovat IP adresu poskytovatele z důvodu případného vyuţití sluţeb protokolu IP. V okamţiku, kdy si uţivatelský terminál vyţádá RSE IP adresu, si můţe vytvořit vlastní IP adresu dle IPv6. Následně se můţe uţivatelský terminál připojit / posílat pakety vzdálenému RSE, případně vzdálenému serveru přes internetové rozhraní. Tyto pakety jsou směrovány prostřednictvím RSE přes „backhaul network“ (směrování zpětnou vazbou) do SDN, „internet network gateway“ (síťové brány internetu) a dále pak k poskytovateli internetových sluţeb. Tento standard ale nepodporuje uţití IP protokolu při komunikaci mezi OBE jednotkami, protoţe OBE-2-OBE komunikace je bezpečná a pouţívá WSMP na CCH. Díky tomu se lze vyhnout směrování paketů [9]. Ve zkratce řečeno, protokoly řady IEEE 1609 tvoří mnohem komplexnější a robustnější komunikační systém neţ klasické bezdrátové protokoly IEEE 802.11. DSRC umí totiţ v reálném čase upřednostnit kritické bezpečnostní zprávy před zprávami s niţší prioritou a zároveň komunikovat v lokální síti (WLAN) bez nadbytečných časových prodlev. Další velkou výhodou je moţnost komunikace jak s místní RSE, tak i se vzdálenými RSE či případně s internetovými poskytovateli sluţeb [9]. Všechny komplexnější úkony jsou v DSRC 5,9 GHz zpracovávány vyššími vrstvami IEEE 1609 standardů (WAVE) – IEEE 1609.2, 1609.3, 1609.4.
3.4.
Přístup více kanálů
Standard IEEE 1609.4 popisuje multi-kanálový bezdrátový provoz, WAVE mód, MAC vrstvu a PHY vrstvy (PHYs) včetně provozování časových intervalů kontrolního (CCH) a servisního (SCH) kanálu. Dále zajišťuje doručování MSDU (MAC Service Data Unit), určuje parametry pro přístupy různých priorit v MAC vrstvě (IEEE 802.11e EDCA mechanismus), přepínání a směrování kanálů a management. Mimo jiné tato vrstva podporuje IEEE 802.11p, který tak umoţňuje vyšším vrstvám operovat mezi jednotlivými kanály („multiple channel communication“) bez potřebné znalosti parametrů fyzické vrstvy (PHY) (Obrázek 12 a 13) [16].
- 44 -
Obrázek 12 - Kanálový komparátor [16]
3.4.1. IEEE 802.11e - EDCA mechanismus EDCA mechanismus je rozšířením Qos (Quality of Service) u mechanismu DCF (Distributed Coordination Function) v IEEE 802.11. Tento princip umoţňuje správu kanálů s rozlišením priorit tak, ţe přiřazuje paketům priority podle důleţitosti a směruje je tak do specifických ACs (Access Categories), kde se načítají („buffer“) v oddělených frontách v MAC vrstvě (Obrázky 12 a 13) [16], [17]. Vnitřní komparátor (Internal contention) dle IEEE 802.11 porovnává pomocí algoritmu výstupy („back-off“) z kaţdého ACI (Access Category Index). AC s nejmenším výstupem vyhrává a postupuje dále do komparátoru pro výběr nejvhodnějšího bezdrátového média. - 45 -
Obrázek 13 - Včlenění kanálového komparátoru pro CCH a SCH do MAC vrstvy [16]
EDCA parametry: a) AIFS (Arbitration inter-frame space): minimální časový interval mezi nečinností bezdrátového média a začátkem přenosu paketů b) CW (Contention window): interval, ze kterého se vezme náhodné číslo pro vytvoření náhodného výstupního mechanismu. c) TXOP limit (Transmission opportunity limit): maximální doba (v milisekundách), po kterou můţe stanice vysílat po získání TXOP. Pokud je TXOP 0, můţe stanice vysílat pouze jeden MSDU [16].
3.5.
IEEE 802.11p
Standard IEEE 802.11p je dnes jedním z mála mechanismů v ITS (Inteligent Transport Systems), který je schopen přiblíţit se přenosu dat v reálném čase a dostát tak kritickým časovým hodnotám. Tento poţadavek se zcela zjevně zdá být tím nejdůleţitějším v ITS systémech. Toho by samozřejmě nebylo moţno dosáhnout bez schopnosti koordinace přístupu k jednotlivým komunikačním kanálům [18].
- 46 -
IEEE 802.11p by měl v první řadě: Popsat sluţby a funkce „WAVE-conformant“ stanic pro operování v rychle se měnícím prostředí. Zajistit výměnu zpráv bez potřeby připojení se k BSS (Basic Service Set), coţ je zcela běţné pro skupinu IEEE 802.11. Definovat signalizační techniku WAVE. Definovat funkce rozhraní, které spravuje IEEE 802.11 MAC.
Obrázek 14 - Začlenění 802.11p do WAVE [18]
3.5.1. Struktura IEEE 802.11p
Jak je vidět z obrázku (Obr. 14), fyzická vrstva IEEE 802.11p má dvoukanálovou strukturu managementu.: MLME (Mac Layer Management Entity) PLME (Physical Layer Management Entity)
Standard IEEE 802.11p je poměrně striktně omezen rozsahem skupiny IEEE 802.11, která má převáţně na starost PHY a MAC. Všechny komplexnější úkony jsou v DSRC zpracovávány vyššími vrstvami IEEE 1609 standardů [18].
- 47 -
3.5.1.1.
Fyzická vrstva a IEEE 802.11p
IEEE 802.11p neklade ţádné velké nároky na fyzickou vrstvu 802.11. Je to z toho důvodu, ţe adaptace lze dosáhnout v jiných protokolech jako je např. IEEE 802.11a. Protokol IEEE 802.11a standardně operuje v pásmu 5 GHz, ale není problém ho překonfigurovat dle potřeby na jiné pásmo. Zatímco změny v MAC vrstvě jsou převáţně softwarového charakteru, vznik, případně změny zcela nových bezdrátových technologií by byly z mnoha důvodů neţádoucí. Přesto existují tři vylepšení, která IEEE 802.11p přináší do fyzické vrstvy [18].
OFDM - 10MHz
IEEE 802.11p je v podstatě zaloţen na OFDM
(Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) fyzické vrstvy. Tato multiplexová metoda umoţňuje vysílat v rozprostřeném spektru (na stovkách aţ tisících nosných kmitočtů), kde je signál vysílán na více nezávislých frekvencích, coţ vede ke zvýšení odolnosti vůči interferencím. Signál je ortogonální (kolmý), protoţe maximum kaţdé nosné vlny se překrývá s minimy ostatních nosných vln. OFDM se mimo jiné vyuţívá třeba v DVB-T, WiMax, IEEE 802.11 a /g nebo ADSL. IEEE 802.11p se však od klasického vyuţití OFDM liší tím, ţe místo 20 MHz pásma pouţívá 10 MHz pásmo. Tento poznatek vychází z analýzy provedených společností General Motors, ve kterých došli k závěru, ţe z důvodu krátkého kontrolního intervalu (guard interval) dochází k interferenci vlastního vysílání technologií vyuţívající WAVE [18]. Specifika přijímače
Interference je bohuţel nevyhnutelnou součástí problematiky fyzické vrstvy bezdrátových technologií. Efektivním a zaručeným řešením, jak se vyvarovat této problematice, se zdá být zavedení metod řízení kanálů (Channel management policies). Tato oblast je však mimo rozsah IEEE 802.11. Nicméně IEEE 802.11p zavádí některá vylepšení parametrů přijímače k omezení interferencí se sousedními kanály.
- 48 -
Obrázek 15 - Rozdělení kanálů pro WAVE aplikace [18]
V tomto standardu existují celkem dvě kategorie poţadavků. První kategorie je povinná a v celku dobře realizovatelná s dnešními typy čipů. Druhá kategorie je více striktní, ale volitelná. Ta je ovšem výhledově o dost draţší neţ první kategorie [18].
Výkonnostní třídy
IEEE 802.11p má v ITS pásmu čtyři výkonnostní třídy ( A, B, C, D ). Toto rozdělení je převáţně podle U.S. ITS [18]. Všechny třídy pouţívají rozsah kanálů 10 MHz Tabulka 5 - Výkonnostní třídy pro IEEE 802.11p [18]
Limitní hodnoty pro šířku pásma Třída
5 MHz
5,5 MHz
A
10 dB
20 dB
B
16 dB
20 dB
C
26 dB
32 dB
D
35 dB
45 dB
10 MHz
15 MHz
28 dB
40 dB
28 dB
40 dB
40 dB
50 dB
55 dB
65 dB
V podstatě jsou tyto třídy mnohem přísnější neţ ty, které pouţívá současné IEEE 802.11. Otázkou je, zdali by byli dnešní výrobci čipů schopni dostát takovým poţadavkům. 3.5.2. Koordinace kanálů - jednokanálový WAVE Koordinace jednotlivých kanálů záleţí na synchronizační proceduře a na schopnosti výměny dat mezi jedním nebo více jednotkami. Jednotky, které nejsou schopny simultánně
- 49 -
monitorovat CCH a přeposílat data na SCH kanálu, jsou označovány jako single-channel WAVE jednotky (jedno-kanálové WAVE jednotky). Pro další pochopení textu je třeba uvést základní rozdělení priorit. Celkem rozlišujeme dvě hlavní skupiny priorit: a) důleţité: priority 4 a výše b) méně důleţité: priority 3 nebo méně Jak jiţ bylo dříve zmíněno, všechny WAVE jednotky monitorují CCH během CCH intervalu. Během tohoto intervalu mohou být posílány všechny důleţité WSMP zprávy (priorita 4 a výše) obsahující CCH číslo v WSMP hlavičce. Společně s WSMP je posláno i WSA. Tento druh zpráv můţe být poslán na CCH kanálu během SCH intervalu. Pro tato zařízení, která jsou připojena na CCH kanálu i během SCH intervalu, jsou dostupné zprávy s niţší prioritou (priorita 3 nebo méně) kdykoliv. Kdyţ se připojí single-channel WAVE zařízení k WBSS, je nezbytná synchronizace a koordinace kanálů, aby bylo zajištěno, ţe se ke všem těmto jednotkám dostanou včas důleţité bezpečnostní zprávy (priority 4 a víc) a WSA zprávy, které jsou vţdy vysílány na CCH kanálu během CCH intervalu. Na obrázku 16 je vidět synchronizační interval (CCH a SCH) včetně kontrolního intervalu, který se vyskytuje na začátku kaţdého očekávaného CCH intervalu (počátku synchronizačního intervalu). Tento kontrolní interval by měl odstraňovat případné časové nepřesnosti mezi všemi komunikujícími jednotkami. Během kontrolního intervalu není povolen ţádný datový přenos. Z tohoto důvodu dochází k pozastavení případně přerušení přenosu při iniciaci kaţdého kontrolního intervalu. Komunikace je po jeho skončení opět obnovena a pokračuje od bodu, kde byla přerušena. Tento princip ovšem není vţdy úplně bezpečný z hlediska ztráty paketů při přerušení komunikace. Aby se zamezilo případnému přerušení komunikace, zavedla se následující metoda [16]:
1) Před
doručením
MSDU6
fyzické
TXTIME.request. Fyzická vrstva
vrstvě
(PHY)
zpětně odešle
MAC
vydá
PHY-
PHY-TXTIME.confirm
s předpokládanou délkou potřebného času pro kompletní přenos dat do počátku následujícího kontrolního intervalu. 6
Pozn.: Maximální doba pro „plné“ (full size) MSDU (2312 bytů) je přibliţně 6.5 ms. SCH a CCH jsou dohromady dlouhé přibliţně 100 ms.
- 50 -
2) Pokud potřebný čas přesahuje zbývající délku synchronizačního intervalu, MSDU se uloţí do MAC vrstvy, neţ skončí kontrolní interval.
Obrázek 16 - Synchronizační interval [16]
Aby se předešlo simultánnímu pokusu všech jednotek o komunikaci po skončení kontrolního intervalu, je náhodně přiřazeno pořadí všem jednotkám, které se pokoušejí navázat spojení. Koordinace kanálů by také měla předcházet zasílání paketů na nesprávné RF kanály [16].
3.5.3. WAVE mód VSC si nemůţe dovolit v kritických případech prohledávat jednotlivé kanály BSS a procházet tak neustále dlouhou řadou navazujících procesů. Z tohoto důvodu je nezbytné, aby byly všechny vysílače vyuţívající standard IEEE 802.11p standardně nastaveny na stejný kanál a nakonfigurovány se stejným BSSID. Klíčovým vylepšením, které přináší IEEE 802.11p do aplikace WAVE je tzv. „WAVE mode“. Stanici ve WAVE modu je umoţněno vysílat a přijímat datové rámce pomocí BSSID bez nutnosti náleţet BSS jakékoliv priority. To znamená, ţe kdyţ se potkají dvě vozidla vyuţívající BSSID na stejném kanálu, mohou spolu začít téměř okamţitě komunikovat bez nutnosti vyšší správy [16].
3.5.3.1.
Zabezpečení WAVE
Standard IEEE 1609.2 obstarává bezpečnostní formát zpráv. Dále zavádí metody, jak bezpečně strukturovat zprávy managementu a jednotlivých aplikací pro WAVE, s výjimkou kritických zpráv vyslaných vozidlem v nouzi či při detekci potencionálního
- 51 -
nebezpečí (např. olej na silnici). V neposlední řadě popisuje nezbytné administrativní funkce potřebné pro podporu základních bezpečnostních funkcí [14].
Struktura zabezpečené zprávy
Význam: -
uint: předdefinované numerické typy7 a) uint8 – jednobytové big-endian kódování nepodepsané 8 bitové zprávy a) uint16 – dvoubytové big-endian kódování nepodepsané 16 bitové zprávy b) uint32 – čtyřbytové big-endian kódování nepodepsané 32 bitové zprávy c) uint64 – osmibytové big-endian kódování nepodepsané 64 bitové zprávy d) sint32 – čtyřbytové big-endian kódování 32 bitové podepsané zprávy, kde je podepsaný první bit a zbytek zprávy (31 bitů) je uloţen ve formě bigendian.
-
protocol version: udává aktuální verzi protokolu.
-
type: udává typ zprávy a) typ 0 - nezabezpečená zpráva, je součástí WSMs (WAVE short messsages) b) typ 1 - označuje „podepsanou“ zprávu c) typ 2 - zašifrovaná zpráva d) zprávy typu 240 aţ 255 jsou vyhrazeny pro testovací účely
7
Pozn.: big-endian je způsob ukládání dat v paměti počítače. Na paměťové místo s nejniţší adresou se uloţí nejvíce významný byte (MSB), byte s nejvyšší hodnotou. Obvykle se jedná o byte uloţený ve smyslu nejvíce vlevo a za něj se ukládají ostatní byty aţ po nejméně významný byte (LSB)).
- 52 -
3.5.3.2.
WAVE BSS
WAVE mód by samozřejmě sám o sobě pro komunikaci nestačil. Dalším vylepšením, které IEEE 802.11p přináší, je WBSS (WAVE Basic Service Set). WBSS je v podstatě skupina mobilních jednotek, která je současně připojena k jednomu beaconu, který provozuje WAVE aplikaci.8 Stanice RSE disponující WAVE aplikací vysílá zprávy pouze na poţádání. To ale ovšem neznamená, ţe by tato stanice nebyla schopna, v případě potřeby, vysílat celoplošně všem okolním jednotkám. Zpráva, kterou tato stanice vysílá, vyuţívá speciální datový rámec, který nepotřebuje být periodicky opakován, aby neustále oznamoval všem okolním jednotkám přítomnost WAVE BSS. Tento jev je převzat vyššími vrstvami nad 802.11. Informace vysílaná touto stanicí obsahuje všechny potřebné informace pro přijímací jednotku, aby rozpoznala, jaký druh sluţeb vysílač poskytuje. Zpráva dále obsahuje dostatek informací k tomu, aby se přijímač mohl přizpůsobit skupině WBSS. Jinými slovy se stanice můţe rozhodnout, zdali se chce přihlásit a následně tak dokončit přihlašovací proces k WBSS pouhým obdrţením zprávy WAVE bez dalších interakcí. Tento přístup nabízí extrémně krátkou dobu pro navázání spojení WBSS tím, ţe v podstatě obejde všechny konvenční a autentizační procesy. To samozřejmě vyţaduje další mechanismy ve vyšších vrstvách k zajištění bezpečnosti a spolupráce celé skupiny WBSS [16].
3.5.3.3.
Přenos bez WBSS
Data, která se vyměňují bez WBSS, se posílají ve formátu WSMP pouze na kontrolním kanálu (CCH). Následující příklad ukazuje pouţití WSMP bez WBSS: a) Zdrojová aplikace (ţadatel) vytvoří WSM data pro přenos. Do WSM se nastaví cílová MAC adresa. Na základě konfigurace zprávy (druhu zprávy, důleţitosti, délky) aplikace vybere informace o patřičném radiovém kanálu (Power level a Data rate) a předá je WSMP (WAVE Short Message Protocol) pomocí výsledného poţadavku WSM (WSM-WaveShortMessage.request). WSMP se
8
Pozn.: Podobně je tomu ve standardu IEEE 802.11, kde je BSS tvořen jedním přístupovým bodem společně s připojenými stanicemi.
- 53 -
předá niţším vrstvám (IEEE 1609.4 a IEEE 802.11p), které následně realizují samotný bezdrátový přenos dle nastavených podmínek9. b) Přijímající zařízení předá pakety vyšším vrstvám. WSMP předá informace cílovým aplikacím pomocí PSID (Provider Service Identifier, kaţdá aplikace se registruje vlastním unikátním PSID). V tomto okamţiku si je cílová aplikace vědoma existence ţadatele a zná jeho MAC adresu. Dále můţe pokračovat v komunikaci na CCH kanálu pokud je to v daném okamţiku ţádané. Komunikace můţe probíhat buď formou broadcast (plošného vysílání) nebo unicast (vysílání jednotlivci) viz obr. 17 [16].
Obrázek 17 - Formy přenosů - broadcast, unicast [18]
3.5.3.4.
Přenos s WBSS
WBSS se skládá ze dvou důleţitých entit – času a frekvence (kanálu). Ty jsou společné pro určitou skupinu OBE jednotek, které vyuţívají jednu nebo více konkrétních aplikací v dosahu RSE vysílače. WBSS se inicializuje poţadavkem aplikace na jedné OBE jednotce (provider) a dále se vysílá okolním jednotkám na CCH kanálu[16]. Dle IEEE 1609.4 WAVE podporuje dva druhy WBSS: a) Trvalý WBSS -
vysílá se během CCH intervalu
-
hlavní vyuţití je nabízet okamţitou sluţbu všem jednotkám, které se dostanou do dosahu RSE vysílače.
9
Pozn.: WSMs jsou navrţeny tak, aby zabíraly co nejmenší přenosovou kapacitu kanálu. V případě potřeby je moţné vysílat/přijímat WSMs jak na SCH, tak na CCH.)
- 54 -
b) Nestálý WBSS -
vyšle se pouze jednorázově na vyţádání
-
pouţívá se pro sluţby dostupné na vyţádání
Od té doby, co OBE nepotřebuje nabízet sluţby OBE jednotkám mimo dosah lokálního vysílače (z důvodu existence globální adresy IPv6), OBE poskytovatel (provider) pouze přepošle adresy (IPv6) vzdálených OBE jednotek místnímu SAP a ten si uţ vyhledá jejich poskytovatele sluţeb díky globální adrese (IPv6). Toto opatření zamezuje lokálnímu rušení poskytované sluţby OBE jednotkou. Zatímco se jednotka pohybuje, dochází totiţ ke kvalitativním změnám pokrytí. RSE dokáţe identifikovat klienty buď přes lokální nebo globální adresu, v závislosti na jejich vzdálenosti od RSE [16].
3.5.3.5.
WBSS vysílání
WSA (WSA.request) je generováno WME, aby MLME začalo komunikaci na bázi WBSS. WSA se skládá z následujících parametrů: MLME-WSA.request ( SSID, BSS Basic Rate Set, Operational Rate Set, Service Channel Number, Secured WSA, Peer MAC address, Repeats, Persistence )
- 55 -
Tabulka 6 - Popis WSA parametrů [16]
Jméno
Typ
Rozsah
SCH číslo
Celé číslo
0 – 200
Secured WSA
IEEE P1609.3
IEEE P1609.3
Popis RF číslo kanálu pro SCH WSA informace s bezpečnostním doporučením. Adresa peer MAC entity, pro kterou je WSA určeno. WSA jsou
Peer MAC address
MAC adresa
Jakákoliv platná
obvykle vysílány plošně, ovšem
adresa
v určitých případech je ţádoucí navázat spojení 2 (pouze 2) peer MAC entit. Počet paketů, který označuje
Repeats
Celé číslo
kolikrát se má WSA zopakovat
0–7
během jednoho CCH intervalu. Počet vysílání = repeats + 1.
Persistence
Boolean (primit.fce.)
Určuje, jestli budou pakety TRUE / FALSE
WAVE announcemetu vysílány v kaţdém CCH kanálu.
Další kapitola uvádí telematické aplikace, které by mohly vyuţívat WAVE mód, čímţ bychom zvýšili pravděpodobnost, ţe se zprávy týkající se bezpečnosti na komunikacích dostanou k řidičům včas
- 56 -
4. Hlavní kategorie telematických aplikací V této kapitole jsou jmenovány příklady telematických aplikací, které by mohly operovat v pásmu 5,9 GHz, a mohly tak významně přispět ke zvýšení bezpečnosti na dopravních komunikacích. Především jsou zde zmíněny aplikace, které jsou závislé na přístupu k internetu. Tyto telematické aplikace by samozřejmě nemohly bezpečně fungovat bez spolehlivého a výkonného připojení s velmi dobrým pokrytím. A takové podmínky by nám například mohla poskytnout právě technologie DSRC 5,9 GHz jako jedna z alternativ budoucích kooperativních systémů. Dále bych se rád zaměřil trochu podrobněji na některé telematické aplikace, pro jejichţ provoz by mělo DSRC podstatný význam [22]:
4.1.
Navigační systémy
Navigační systémy jsou systémy, které nám umoţňují sledovat polohu vozidla na mapě. Díky druţicovému systému GPS nám můţe navigace sdělit i další informace týkající se naší cesty jako například: očekávanou délku cesty, nejrychlejší cestu, odpočívadla, kulturní památky, restaurace, objíţďky nebo umístění stacionárních radarů. Navigace se většinou rozdělují na dva typy, on-line a off-line. Přičemţ hlavní rozdíl je v tom, odkud si berou aktuální informace o dění na dopravních komunikacích. On-line navigace jsou neustále připojeny k informačním serverům a mohou nás tak informovat o případných nehodách, které se přihodí na naší naplánované cestě. Off-line navigace se na rozdíl od online systému nemohou během cesty aktualizovat a tudíţ je nutné je čas od času připojit k internetu a aktualizovat databázi.
4.2.
Systémy řízení flotily
Tato skupina zahrnuje různé druhy sledovacích aplikací. Všechny typy mají ale společný cíl – zvýšit efektivnost, a tím sníţit náklady. Tyto sluţby se uplatňují jak u osobních (kniha jízd), tak i u nákladních vozů (kontrola polohy a přestávek řidiče). Lze tak i efektivně koordinovat jednotky záchranných sloţek jako jsou například záchranné nebo policejní vozy. I zde jsou moţné opět dva typy reţimů, on-line a off-line. Při off-line reţimu se po návratu vozu připojí palubní jednotka k počítači, čímţ se stáhnou data o pohybu vozu. Na rozdíl od off-line reţimu se při on-line reţimu neustále odesílají data o poloze vozu dispečerovi.
- 57 -
4.3.
Systémy pro sledování nebezpečných látek
Tyto systémy jsou velmi podobné systémům řízení flotily jen s tím rozdílem, ţe mají mnohem větší nároky na přesnost (lokalizaci vozidel) a na kvalitu připojení. Přeposílaná data mohou obsahovat i choulostivé informace o přepravovaném materiálu jako mnoţství, stav, teplota, tlak, případně i další informace o nákladu. Velice podobný je i systém pro kontrolu přepravy ţivých zvířat, který má také své specifické nároky na kontrolu přepravovaných zvířat.
4.4.
Elektronický výběr mýta
Tyto aplikace se povaţují za nejzajímavější pro většinu investorů. Celkem existují dva rozdílné koncepty, přičemţ jejich duplicitní pouţívání se označuje za hybridní systém. První koncept je koncept popsaný v kapitole 2 – DSRC 5,8 GHz a druhý koncept je koncept satelitního výběru mýta pomocí sledování pohybu vozidla. Zde ovšem existuje riziko nepřesnosti zaměření, tudíţ můţe docházet k výskytu chybných záznamů o pohybu vozidel na zpoplatněných komunikacích. V tomto konceptu se zejména uplatňuje navigační systém GNSS. I zde je opět moţné uchovávat data v OBE jednotce a odeslat je aţ v cílové destinaci. To se ovšem ukázalo jako příliš zneuţitelné. Dále je moţné implementovat do systému značnou část inteligence a tak můţe docházet ke kontinuálnímu sledování stavu poplatků. V našich podmínkách je tomu tak ovšem jen zřídka.
4.5.
Systémy bezpečnosti a komunikace Car2X
Pod pojmem C2X se skrývá nepřeberné mnoţství aplikací všeho druhu počínaje zábavou a konče bezpečnostními a bankovními aplikacemi. Car to X v podstatě znamená komunikaci mezi vozidlem a další entitou. Touto entitou buď můţe být další vozidlo nebo infrastrukturní prvek. Této problematice se poměrně podrobně věnuje DSRC 5,9 GHz.
4.6.
eCall
eCall neboli emergency call je systém nouzového volání při dopravní nehodě. Ten můţe být aktivován buď stisknutím tlačítka (například při infarktu řidiče) nebo - 58 -
automaticky při zaznamenání většího nárazu sběrnicí CAN. Takto vzniklý podnět má za následek dvě zprávy. První zpráva je vyslána okamţitě a říká se jí krátká zpráva, a to z důvodu, ţe obsahuje pouze nejnutnější informace o nehodě – počet osob, místo nehody (ze systému GNSS). Tato zpráva můţe být poslána například přes sítě GSM. Druhá zpráva je poněkud podrobnější, a tudíţ je i náročnější na přenos. Tento druh zprávy obsahuje informace jako je například polohu vozu, stav nádrţe, sepnuté deformační senzory atd.
- 59 -
5. Porovnání DSRC 5,8 GHz a DSRC 5,9 GHz Tato kapitola shrnuje základní fakta týkající se obou technologií. Dále se zaměřuje na rozdíly mezi evropskou a americkou verzí DSRC s důrazem na bezpečnost. V neposlední řadě je zde rozebrána problematika internetových protokolů. Z následující tabulky (tab. 4) je vidět, ţe evropská verze 5,8 GHz má nemalé rezervy vůči americké verzi 5,9 GHz, a to zejména v komunikačních protokolech. Komunikační protokol WSMP by se totiţ mohl stát velmi účinným nástrojem v oblasti bezpečnosti, zejména pokud bychom uvaţovali o zvětšení komunikační zóny na vzdálenost aţ 1 km jako je tomu u americké verze 5,9 GHz. Dalším důleţitým bodem, který bude v blízké budoucnosti nezbytným pro zavedení inteligentních systémů, je přenosová rychlost a počet kanálů. S rostoucí komunikační vzdáleností nám totiţ lineárně narůstá počet připojených jednotek a exponenciálně mnoţství přenášených dat mezi OBE a RSE. Z toho důvodu je třeba zvýšit u evropské verze 5,8 GHz jak přenosovou rychlost, tak počet kanálů na podobné hodnoty jako je tomu u DSRC 5,9 GHz. Tabulka 7 - Přehled vlastností DSRC 5,8 a 5,9 GHz [11], [12], [21]
Hodnota Parametr DSRC
5,9 GHz
5,8 GHz
Maximálmí dosah:
1000 m (3000 ft)
100 m
Potencionální interference (např.):
radary policie, satelity
radary policie, satelity
Minimální vzdálenost mezi vysílači:
15 m (50 ft)
Počet kanálů:
7
4
Pokrytí:
překrývající se oblasti
nepřekrývají se
Příjem - běţný:
méně jak 33 dBm (2W)
27 dBm (0,5W)
Příjem - pro bezpečnostní aplikace:
aţ 44,77 dBm (30W)
47dBm (50W)
- 60 -
Ţádná (RSE nesmí vyzařovat přímo na sebe)
Odesílání – běţný:
méně jak 33 dBm (2W)
27 dBm (0,5W )
Odesílání - pro bezpečnostní aplikace:
aţ 44,77 dBm (30W)
47 dBm (50W )
Přenosová rychlost:
6 Mbps – 27 Mbps
2 Mbps – 20,48 Mbps DSRC komunikační sada
Komunikační protokoly:
UDP, WSMP, IPv6
protokolů (podobné RFID)
Modulace:
BPSK (inicializace), QPSK ASK, QPSK 100 ppm (RSE),
100 ppm (RSE),
20 ppm (OBE)
20 ppm (OBE)
Frekvenční stabilita: Šířka pásma:
7-10 MHz (10 a 20 MHz)
MHz
5.1. Bezpečnost Jak bylo uvedeno jiţ v úvodu této práce, jedním z podstatných faktorů, kterými se tato práce zabývá, je nutnost zvýšení bezpečnosti na našich komunikacích. Pro lepší názornost bych zde uvedl následující fakta z ministerstva dopravy. Z celkového počtu usmrcených účastníků dopravního provozu v letech 2007 a 2008 bylo 55 % účastníků z osobních automobilů (Obr. 18). Tento počet by se dal radikálně sníţit, kdyby byly tyto vozy vybaveny OBE jednotkami s implementovaným komunikačním protokolem WSMP.
Obrázek 18 – Rozdělení počtu usmrcených podle typu účastníka za rok 2007 a 2008 [23]
- 61 -
Další obrázek (Obr. 19) je převzat z jednotné dopravní vektorové mapy [24] a je zaměřen na hlavní město ČR – Prahu (fialová linie). Na této mapě je zobrazeno statistické vyhodnocení nehodovosti – červené tečky.
Obrázek 19 – Statistické vyhodnocení nehodovosti v Praze [24]
Z předchozích obrázků je vidět, ţe dopravní nehodovost u nás je, stejně tak jako ve zbytku Evropy, poměrně vysoká a proto je třeba nalézt vhodný plošný mechanismus, který by tuto situaci řešil. Jednou z alternativ pro tyto účely by mohl být právě WAVE mód, který vyuţívá DSRC 5,9 GHz. Nastává zde ovšem problém ohledně lokalizace a jednoznačné identifikace pohybujících se jednotek. Jedním z moţných východisek je internetový protokol verze 6. Tento protokol je jiţ implementován do DSRC 5,9 GHz a byl jiţ úspěšně otestován na japonsko-evropské verzi DSRC 5,8 GHz (5.2.2.).
5.2.
IPv6
Jeden z hlavních problémů, s kterým se dnes počítačoví odborníci potýkají, je nedostatek IP adres v IPv4. Ta můţe poskytnout celkem asi nabídnout aţ
adres. IPv6 nám ovšem můţe
unikátních adres. Adresy IPv6 se normálně zapisují
v hexadecimální soustavě a na rozdíl od IPv4, kde se jako oddělovače pouţívali tečky „.“, v IPv6 se pouţívá dvojtečka „:“ př: 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334 Další velmi podstatný rozdíl je ve struktuře IP adresy. IPv4 má délku pouze 32 bitů a je kompaktní. IPv6 má dvě logické části, síťovou příponu a uţivatelskou část, obě mají délku 64 bitů. Adresy IPv6 jsou klasifikovány ve třech třídách [20]:
- 62 -
a) Unicast – spojení s konkrétním uţivatelem b) Anycast – spojení se skupinou uţivatelů, většinou se uţívá pro odlišení lokalit c) Multicast – spojení s více jednotkami, nahrazuje broadcast Broadcast není podporovaný v IPv6. V kaţdé IP adrese je zaznamenáno, ve které části sítě je povolena a tím se zároveň stává unikátní („scoop“). Existují taky „node scoop“ (uzlová specifikace) a „link scoop“ (linková specifikace). Pro začátek ale můţe mít většina adres „global scoop“, čímţ se stávají unikátními v celé síti [19].
5.2.1. Zjednodušení procesů ve směrovači Zjednodušení se týká hlaviček paketů a procesu přeposílání paketů. MIPv6 (Mobile IP v6) jiţ nepouţívá směrování pomocí triangulace jako MIPv4 a je proto stejně efektivní jako standardní IPv6. Následující body jsou povaţovány za hlavní důvody efektivnějšího zpracování dat v IPv6 [19]: Hlavičky paketů jsou mnohem jednodušší neţ ve verzi IPv4. Mnoho ne příliš často pouţívaných segmentů bylo posunuto do oddělených moţností. Ovšem délka adresy je stále 4 krát delší neţ v IPv4 a délka hlavičky je aţ 2 krát delší neţ v IPv4. Směrovače IPv6 neprovádějí segmentaci, jak tomu bylo u IPv4. Připojené jednotky buď musí přenos uskutečnit s end-2-end fragmentací, pouţít metodu PMTU (Path Maximum Transition Unit - připojená jednotka se ptá, kdy je potřebné pouţít fragmentaci), a nebo musí posílat pakety menší neţ je minimální MTU, coţ je 1280 bytů. Hlavičky IPv6 nejsou chráněny pomocí „checksum“ (redundantní znak, který slouţí ke zjišťování chyb způsobených vlastním přenosem). Předpokládá se totiţ, ţe ochrana integrity paketů bude zabezpečena „checksumem“ linkové vrstvy a „checksumem“ vyšších vrstev (TCP, UDP). To má za následek, ţe směrovače nemusejí přepočítávat „checksum“ vţdy, kdyţ se změní hlavička paketu.
Časový limit (Time-to-live) IPv4 byl změněn na Hop Limit, který neurčuje délku ţivotnosti paketu, ale počet přeskoků, který můţe směrovač udělat. Např.: host1(config)#ipv6
hop-limit
50
nám říká, ţe host1 můţe provést
maximálně 50 přeskoků. To zjednodušuje směrovači práci, protoţe nemusí neustále přepočítávat délku pobytu paketu ve frontě. - 63 -
5.2.2. Zkušební projekt InternetCAR Program InternetCAR (Internet Connected Automobile Research) je testovací systém, ve kterém byly implementovány následující aplikace [19]: a) Několik komunikačních modulů s rozhodovací logikou b) Funkce MobileIPv6 pro kontinuální připojení za pohybu (i během přechodu na jiný AP). c) NEMO (NEtwork MObility) – NEMO umoţňuje celé podskupině v síti plynulý přesun na jiný AP bez změny IP adres. Testování probíhalo na zkušebním voze v neziskové organizaci Association of Electronic Technology for automobile Traffic and Driving. Testovací vozidlo sbíralo za pohybu různé informace jako rychlost, vlhkost a snaţilo se z nich vytvořit uţitečné informace pro dopravní situaci nebo aktuální počasí [19].
5.2.3. Možnosti využití IPv6 IPv6 můţe být pouţita např. v následujících bezdrátových technologiích: 3G, GPRS, DSRC, PHS, 802.11, 802.16, satelity. IPv6 poskytuje ochranu a autentičnost všem uţivatelům bez rozdílu, a proto můţe najít vyuţití nejen v AI světě a dopravních aplikacích (fleet management, e-call, navigace, záchranné sloţky), ale lze jej také aplikovat například pro zdravotnictví jako podporu starších a invalidních lidí. Takovýto projekt by byl zaloţen na vzdáleném přístupu pacientů k lékařské pomoci a naopak, lékaři by také mohli na dálku sledovat zdravotní stav svých pacientů například přes mobilní telefon. Další vyuţití by bylo moţné pro potřeby ţurnalistiky, vzdělání nebo turismu.
5.3.
Doporučení
Domnívám se, ţe by stálo za zváţení navázat na jiţ existující základní infrastrukturu na nejrušnějších tranzitech v extravilánu, a to zejména díky jiţ fungující kooperaci s firmou Kapsch TrafficCom AG, která má jiţ vybudovanou technologickou podporu pro tyto systémy po celé ČR. Je tedy třeba navázat na tuto práci novým výzkumem, který by vycházel ze stávajících podmínek u nás a snaţil se tak vyvinout nadstavbu pro DSRC 5,8 GHz, která by - 64 -
umoţňovala zavedení kooperativních systémů se všemi nároky na rychlost, spolehlivost a universálnost, a přiblíţila se tak provozním schopnostem DSRC 5,9 GHz. Vzhledem k tomu, ţe se u nás v ČR uvaţuje o hybridním mýtném systému, tak by toto řešení bylo celkem dobře proveditelné. Další alternativou by byl paralelní provoz obou systémů, přičemţ by se mohlo vyuţít jiţ vybudovaných mýtných bran, které by mohly slouţit jako infrastrukturní konzole pro obě technologie. Musel by se ovšem vyřešit problém s interferencemi mezi jednotlivými typy DSRC. V tomto případě by tedy byl opět nutný výzkum, který by se zabýval problematikou s paralelním provozem obou typů DSRC ve stejné lokalitě. Pro plošnou implementaci DSRC by samozřejmě muselo dojít k rozšíření RSE jednotek podél komunikací v extravilánu. V intravilánu by se dalo pouţít hybridní řešení indukčních smyček spolu s RSE vysílači, přičemţ by se indukční smyčky pouţívaly především v místech s omezeným komunikačním pásmem nebo v místech s hustou zástavbou.
- 65 -
6. Závěr Cílem této bakalářské práce bylo hlubší seznámení s problematikou technologie DSRC se zaměřením na nové trendy a provedení analýzy nejrozšířenějších typů DSRC s důrazem na vyuţití v dopravní telematice. Na základě provedeného testu a dílčích srovnání bylo moţno popsat současnou úroveň technologie DSRC 5,8 GHz a porovnat ji s technologií 5,9 GHz. Dále zde byl proveden rozbor komunikačních procesů obou technologií se zaměřením na jejich specifika, především na výběr mýta u verze 5,8 GHz a na WAVE mód u verze 5,9 GHz. Z hlediska robustnosti bezpečnostních aplikací se jeví WAVE mód, jako velmi výkonný koordinačně telematický nástroj, který by mohl významným způsobem přispět ke zvýšení plynulosti a bezpečnosti na silničních komunikacích. V této práci bylo pojednáno o výhodách integrace informačních systémů pomocí aplikace WAVE se zaměřením na provozní bezpečnost v dopravě. Aplikace WAVE by nám v podstatě umoţnila včasné a efektivní sdílení informací bez zbytečných prodlev souvisejících s navazováním spojení. Stávající koncepce obou technologií nám ovšem v současné době paralelní provoz neumoţňuje. Z tohoto důvodu je třeba navázat na tuto práci v podobě dalšího výzkumu se zaměřením na rozvoj současné technologie DSRC 5,8 GHz. Tato technologie má, vzhledem ke své úzce profilové specializaci, nevyuţitý potenciál, kterým je třeba se dále zabývat. Na závěr bych chtěl dodat, ţe by pro nás tato problematika týkající se technologie DSRC rozhodně neměla být uzavřeným tématem, a to zejména pro své široké moţnosti uplatnění. Výzkum by proto měl rozhodně nadále pokračovat, aby se tak co nejdříve dospělo k moţnému komplexnímu řešení univerzálního plošného nasazení pro budoucí kooperativní systémy.
- 66 -
7. Literatura [1]
Kapsch Telecom GmbH: GSS Global Specification for Short Range Communication, version 3.2, Jönköping, Weissach im Tal, Montanex, Bretignysur-Orge, 2003
[2]
Press release - 30th September 2008 [online] 2008, Dostupný z WWW:
[3]
Federal Communications Commission. News Release, October 1999 [online], 1999, Dostupný z WWW:
[4]
Přibyl, P., Mach, R.: Řídící systémy silniční dopravy. Praha, ČVUT, 2003
[5]
Konzultace - Jaroslav Altmann (head of R&D), firma Princip a.s., Radlická 204/503, 158 00, Praha 5
[6]
A technical tutorial on the IEEE 802.11 Standard, 1996, [online], Dostupný z WWW: < http://www.sss-mag.com/pdf/802_11tut.pdf >
[7]
Mustafa, E.:IEEE 802.11 Tutorial, 2002, [online], Dostupný z WWW:
[8]
Equivalent isotropically radiated power: 2010, [online], Dostupný z WWW:
[9]
4 VII POC Technical overview , Inteligent transportation systems, U.S. Department of Transportation [online] 2009, Dostupný z WWW:
[10]
Konference projektu CVIS. Praha, 2010
[11]
5,9 GHz DSRC Operational Concept Introduction [online] 2006, Dostupný z WWW:
[12]
Hyunseo Oh, Hanbyeog Cho, Taejin Chung, 5,8 GHz RF Module design and verification test for active DSRC packet communication system [online] 1999, Dostupný z WWW:
[13]
Tim Leinmüller, Robert K. Schmidt, Bert Böddeker, Roger W. Berg, Tadao Suzuki, A global trend for car 2 x communication, Germany, USA, Japan, [online], 2007, Dostupný z WWW:
- 67 -
[14]
IEEE Std. 1609.2, IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Security Services for Applications and Management Messages, červen 2006, ISBN 0-7381-5009-6 SS95558
[15]
IEEE Std. 1609.3, IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) - Networking Services, duben 2007, ISBN 0-7381-5604-3 SS95687
[16]
IEEE Std. 1609.4, IEEE Trial-Use Standard for Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) – Multi-channel Operation, listopad 2006, ISBN 0-73815244-7 SS95581
[17]
Dangerfield I., Malone D., Douglas J.: Experimental Evaluation of 802.11e EDCA for Enhanced Voice over WLAN Performance, 2010, [online], Dostupný z WWW: < http://www.hamilton.ie/dwmalone/voice_delay.pdf>
[18]
Karel, M.:Semestrální práce - telekomunikační sluţby – IEEE 802.11p, Praha, 2009
[19]
Uehara K., Sunahara H., Murai J., Problems and Tentative solutions in Internet CAR testing with IPv6, Japan, 2003, Computer Society
[20]
Choi Mee H., Yim Sik Ch., Deock Gil O.: Advanced DSRC Systém for supporting Mobile IP, Electronic and Telecommunications Research Institute, Korea, 2001
[21]
EG8 final report - 5oct2005, Final Review of draft UNI DSRC Specifications, 2005
[22]
Ekl, F.: Rozhodovací procesy pro výběr nejvhodnější cesty IP L3/L2 redundantních přístupových system, Praha, 2009
[23]
Ministerstvo dopravy: Vývoj dopravní nehodovosti na pozemních komunikacích v ČR a v zahraničí v letech 2007 – 2008, Praha, 2009, Dostupný z WWW:
[24]
Ministerstvo dopravy: Jednotná dopravní vektorová mapa, Praha, 2010, Dostupný z WWW: < http://www.jdvm.cz/stat/>
[25]
Hazdra P., Polívka M., Sokol V.: Microwave Antennas and Circuits Modeling Using Electromagnetic Field Simulator, ČVUT, 2010, [online], Dostupný z WWW: < http://www.radioeng.cz/fulltexts/2005/05_04_002_010.pdf>
- 68 -
