ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΛΑΡΙΣΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΛΑΡΙΣΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Μελέτη τεχνικών εξασφάλισης ποιότητας υπηρεσιών» «σε δίκτυα οχημάτων» Σπουδαστής Νίτσος Βασίλειος Επιβλέπων Καθηγητής Καρέτσος Γεώργιος ΛΑΡΙΣΑ 2015

2 «Εγώ ο Νίτσος Βασίλειος, δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία με τίτλο Μελέτη τεχνικών εξασφάλισης ποιότητας υπηρεσιών σε δίκτυα οχημάτων είναι δική μου και βεβαιώνω ότι: Σε όσες περιπτώσεις έχω συμβουλευτεί δημοσιευμένη εργασία τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Σε όσες περιπτώσεις μεταφέρω λόγια τρίτων, αυτό επισημαίνεται με σχετική αναφορά στα επίμαχα σημεία. Με εξαίρεση τέτοιες περιπτώσεις, το υπόλοιπο κείμενο της πτυχιακής αποτελεί δική μου δουλειά. Αναφέρω ρητά όλες τις πηγές βοήθειας που χρησιμοποίησα. Σε περιπτώσεις που τμήματα της παρούσας πτυχιακής έγιναν από κοινού με τρίτους, αναφέρω ρητά ποια είναι η δική μου συνεισφορά και ποια των τρίτων. Γνωρίζω πως η λογοκλοπή αποτελεί σοβαρότατο παράπτωμα και είμαι ενήμερος(-η) για την επέλευση των νομίμων συνεπειών» 2

3 Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή Τόπος: Ημερομηνία: ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗΣ

4 Περίληψη Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη των τεχνικών εξασφάλισης της ποιότητας των υπηρεσιών σε δίκτυα οχημάτων ή Vehicular Ad-hoc Network (VANET). Αρχικά θα μελετήσουμε τα βασικά χαρακτηριστικά ενός δικτύου οχημάτων και τους παράγοντες που επιδρούν επάνω σε αυτό. Οι οδικές επικοινωνίες αποτελούν σημαντικό πεδίο ερευνών λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που προσφέρουν τα δίκτυα VANET. Είναι πλέον σαφές η ανάγκη για εξεύρεση αποτελεσματικών λύσεων για την θωράκιση ενός δικτύου οχημάτων, εξασφαλίζοντας παράλληλα την Ποιότητα των Υπηρεσιών που προσφέρουν. Είναι επιτακτική ανάγκη τα πρωτόκολλα και οι μηχανισμοί που αναπτύσσονται για δίκτυα VANET να έχουν ως κύριο άξονα την θωράκιση της ασφάλειας, την εξασφάλιση της ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών-qos και την παροχή ενός ισχυρού αλγορίθμου δρομολόγησης. Παρόλο που η πλειονότητα των ερευνών για τις οδικές επικοινωνίες ασχολούνται κυρίως για το καθαρά αμιγώς ad-hoc τμήμα του δικτύου, γίνεται ολοένα και πιο σαφές ότι η ανάπτυξη ουσιαστικών και πρωτοποριακών λύσεων πρέπει να λάβει υπόψη ότι η εκμετάλλευση των καθοδόν μονάδων μπορεί να προσφέρει τεράστια βελτίωση στην απόδοση του δικτύου και να προσφέρει λύσεις σε θέματα που η V2V αρχιτεκτονική αδυνατεί. Οι επιθέσεις στα VANET προέρχονται κυρίως από άπληστους οδηγούς, υποκλοπείς, φαρσέρ και κακόβουλους εισβολείς. Τα δίκτυα οχημάτων ξεχωρίζουν από όλα τα υπόλοιπα κινητά δίκτυα MANET (Mobile Ad hoc Network) εξαιτίας αφενός των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών τους αλλά και αφετέρου γιατί επιβάλλεται η χρήση ενός πρωτοποριακού πρωτοκόλλου για την ορθή σχεδίαση και δρομολόγησή τους. Συνήθως η τοπολογία του δικτύου συνθέτεται κυρίως από δύο είδη, τα αστικά κέντρα και τους αυτοκινητόδρομους. Οι περισσότεροι αλγόριθμοι δρομολόγησης για MANET αποδίδουν καλύτερα σε ένα από τα δύο μοτίβα. Το πρότυπο λοιπόν που καλύπτει τις βασικές ανάγκες ενός ασύρματου LAN και κατά συνέπεια ενός αδόμητου ασύρματου δικτύου οχημάτων, σε Φυσικό αλλά και σε επίπεδο Ελέγχου Προσπέλασης Μέσων MAC (Media Access Control) είναι το IEEE p/WAVE [1] το οποίο συνεχώς εξελίσσεται και τροποποιείται. Είναι το πρότυπο που έχει κερδίσει τον ανταγωνισμό στον τομέα των δικτύων οχημάτων με άλλα πρωτόκολλα που έχουν προταθεί όπως το C2C-CC (Car to Car Communication Consortium)[2] από την GeoNet ή το CALM από την ISO [3]. Ένα σημαντικό στοιχείο που καθιέρωσε το στον τομέα των VANET είναι το φτηνό κόστος ασύρματων καρτών και συσκευών που λειτουργούν με αυτό το πρότυπο. Παρακάτω θα εξετάσουμε αναλυτικά τον σχεδιασμό και της λειτουργίες του της οικογένειας πρωτοκόλλων IEEE καθώς και τα πρωτόκολλα C2C και CALM και θα μελετήσουμε τις τεχνικές που εξασφαλίζουν την ποιότητα των υπηρεσιών τους ή QoS (Quality of Service). Από τα σημαντικότερα πεδία εφαρμογής των πρωτοκόλλων αυτών είναι τα ευφυή συστήματα μεταφορών (ITS-Intelligent Transportation Systems) που ως βασικό στόχο έχουν να αυξήσουν την οδική ασφάλεια των οχημάτων, βελτιώνοντας τις συνθήκες κυκλοφοριακής κίνησης. Τέλος θα εξετάσουμε τα εργαλεία που υποστηρίζουν την προσομοίωση δικτύων VANET με βάση τα πρωτόκολλο επικοινωνίας IEEE p/WAVE, προκειμένου να διερευνηθεί η απόδοση και την αξιοπιστία του φυσικού στρώματος. 4

5 Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαιτέρως τον Καθηγητή του Τμήματος Τεχνολογίας Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών του ΤΕΙ Λάρισας κ. Καρέτσο Γεώργιο για την πολύτιμη υποστήριξη και καθοδήγησή του καθ όλη την διάρκεια της εργασίας μου. Στους φίλους μου για την κατανόησή τους. Στις αδερφές μου για την ηθική υποστήριξή τους Στα αγγελούδια «Κ» «Θ» «Π» «Γ» «Π» «Β» για την Αγάπη τους Στους γονείς μου στους οποίους οφείλω τα ΠΑΝΤΑ... Νίτσος Βασίλειος 5

6 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ VANET Βασικά Χαρακτηριστικά των VANET 1.2 Βασικοί Παράγοντες των VANET 1.3 Εφαρμογές των VANET 1.4 Τοπολογίες-Αρχιτεκτονικές VANET 1.5 Από τα MANET στα VANET Κεφάλαιο 2: Το Πρότυπο IEEE Οι εκδόσεις της οικογένειας πρωτοκόλλων Εισαγωγή στο πρότυπο Η ζώνη συχνοτήτων 2.4GHz 2.3 Ο όρος WiFi (Wireless Fidelity) 2.4 Οι βασικές μονάδες ενός δικτύου Οι υπηρεσίες του προτύπου ΙΕΕΕ για VANET 2.6 Το φυσικό επίπεδο του FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing Είδη πλαισίων και οι μορφές τους Χρονοθυρίδες Slots Times 2.7 Τα υποεπίπεδα MAC και LLC του Το πρωτόκολλο CSMA/CD Το πρόβλημα του κρυφού και εκτεθειμένου τερματικού Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού DCF με CSMA/CA Τα βασικά βήματα της διαδικασίας αποστολής πλαισίου στο DCF Μηχανισμός Δυαδικής Εκθετικής Οπισθοχώρησης Clear Channel Assessment (CCA) και Network Allocation Vector Μηχανισμός RTS/CTS (Request Το Send / Clear Το Send) Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού (PCF) Το υποεπίπεδο LLC Κεφάλαιο 3: Το πρότυπο IEEE e EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) Access Categories and Contention Window (mix/max) IFS (Inter Frame Space) TXOP (Transmission Opportunity) 3.2 HCF Controlled Channel Access (HCCA Κεφάλαιο 4: Το πρότυπο IEEE p Εισαγωγή Βασικά Χαρακτηριστικά 4.2 Τρόποι λειτουργίας του IEEE p 4.3 Η ζώνη συχνοτήτων των GHz 4.4 Όρια Ισχύος 4.5 Βελτιώσεις του IEEE p Wildcard BSS Dot11OCBEnabled Timing Advertisement To/From DS 6

7 4.5.5 Access Categories 4.6 Το σύστημα DSRC (Dedicated Short Range Communication) 4.7 Intelligent Transport Systems ITS 4.8 Αλγόριθμοι για την επιλογή του παραθύρου οπισθοδρόμησης Κεφάλαιο 5: Το IEEE 1609 Πλαίσιο Προτύπων WAVE IEEE WAVE Αρχιτεκτονική 5.2 IEEE WAVE Υπηρεσίες Ασφαλείας 5.3 IEEE WAVE - Υπηρεσίες Δικτύωσης 5.4 IEEE WAVE - Λειτουργία πολλαπλών καναλιών DID-MMAC: Dynamic Interval Division Multichannel MAC 5.5 IEEE πρωτόκολλο ανταλλαγής δεδομένων over-the-air για ευφυή συστήματα μεταφορών (ITS) 5.6 IEEE Κατανομή Χαρακτηριστικών 5.7 Συμπεράσματα σχετικά με το WAVE Κεφάλαιο 6: Συνεργατικά Συστήματα με βάση το IEEE p C2C-CC (Car to Car Communication Consortium) Οντότητες συστήματος επικοινωνίας του C2C-CC Στρωματοποιημένη Αρχιτεκτονική C2C-CC Οι υπηρεσίες των στρωμάτων του C2C-CC Βασικά Χαρακτηριστικά του C2C-CC 6.2 CALM (Communication Access for Land Mobile) Βασικά χαρακτηριστικά του CALM 6.3 SAFESPOT Integrated Project Κεφάλαιο 7: Πρωτόκολλα Δρομολόγησης Ταξινόμηση αλγορίθμων δρομολόγησης 7.2 VSRP (Vehicular Security through Reputation and Plausibility checks) 7.3 Δυσκολίες και εμπόδια στην δρομολόγηση VANET 7.4 Πλεονεκτήματα στον σχεδιασμό αλγορίθμων δρομολόγησης Κεφάλαιο 8: QoS και Ασφάλεια σε δίκτυα VANET Εξοπλισμός των οχημάτων 8.2 Ανακεφαλαιοποίηση 8.3 Σύγκριση βασικότερων αρχιτεκτονικών για δίκτυα VANET Κεφάλαιο 9: Διαδικασία αποστολής δεδομένων Πομπός Πηγή (Source) Περιπλέκτης (Scrambler) Συνελικτικός κωδικοποιητής (convolutional encoder) Διεμπλοκέας (Interleaver) Διαμορφωτής (modulator) - παράγοντας κανονικοποίησης K MOD Συναρμολόγηση OFDM συμβόλων Κατασκευή PPDU (PLCP Protocol Data Unit) πλαισίου 9.2 Κανάλι μετάδοσης 9.3 Δέκτης Απόδιαμορφωτής (demodulator) Αποδιεμπλοκέας (deinterleaver) 7

8 9.3.3 Αποκωδικοποιητής (decoded) Κεφάλαιο 10: Προσομοίωση φυσικού στρώματος του IEEE p Μπλοκ συστήματα Variable-Rate Data source Modulator Bank Pilot Training OFDM Symbols Assemble OFDM Frames Zero Pad IFFT Append Cyclic Prefix Multiplex OFDM Frames Multipath Channel Δέκτης 10.2 Προσομοίωση μοντέλου και γραφικές παραστάσεις 10.3 Συμπεράσματα προσομοίωσης μοντέλου p Βιβλιογραφία

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ VANET Ο τομέας των αδόμητων ασύρματων δικτύων οχημάτων έχει αρχίσει να ερευνάται από τις αρχές της δεκαετίας του 80. Σήμερα η εξέλιξη των τεχνολογιών στον τομέα των αδόμητων δικτύων οχημάτων έχει κάνει τεράστια πρόοδο. Σημαντικό και καθοριστικό ρόλο, εκτός της αλματώδης ανάπτυξης της τεχνολογίας, αποτέλεσε και η συνεχής εξέλιξη μιας οικογενείας προτύπων της IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN), του λεγόμενου IEEE πρότυπο. Βασικό σκοπό είχαν να επεκτείνουν το πρότυπο, δηλαδή το Ethernet (το πιο συνηθέστερο πρωτόκολλο ενσύρματης δικτύωσης υπολογιστών) στην ασύρματη περιοχή. Οι έρευνες γύρω από αυτήν την οικογένεια προτύπων οδήγησαν στην ανάπτυξη του σχεδίου IEEE p που ονομάζεται και Wireless Access Vehicular Environment (WAVE)[4] το οποίο ουσιαστικά καλύπτει πλήρως τις ανάγκες και τις ιδιομορφίες ενός δικτύου VANET. Στα ασύρματα δίκτυα διακρίνουμε τρεις κατηγορίες κύριων συνδέσεων: πρώτον τα δίκτυα υποδομής (infrastructure) κατά τα οποία υπάρχει ένας κεντρικός σταθμός που συντονίζει όλους τους υπόλοιπους, δεύτερον στα μή δομημένα δίκτυα (ad-hoc Networks) στα οποία όλοι οι σταθμοί στο δίκτυο έχουν ίσους ρόλους και είναι ισοδύναμοι μεταξύ τους και τέλος η τρίτη κατηγορία που είναι η σύνθεση των δυο παραπάνω[5]. Τα VANET λοιπόν, είναι μια ειδική κατηγορία αδόμητων δικτύων, των αναφερόμενων ως κινητών αδόμητων δικτύων (Mobile Ad hoc Networks MANET), τα οποία επιτρέπουν την επικοινωνία μεταξύ οχημάτων και το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό τους είναι πως οι κόμβοι του συστήματος είναι τα ίδια τα οχήματα, που επικοινωνούν είτε μεταξύ τους είτε με σημεία πρόσβασης AP (Access Point) που τοποθετούνται σε καίρια σημεία του δικτύου. Οι κόμβοι, αναλαμβάνοντας και τη διαδικασία της δρομολόγησης δίνουν τη δυνατότητα στο δίκτυο να υποστηρίζει επικοινωνία μέσω πολλαπλών συνδέσεων-αλμάτων (hops) σε αντίθεση με τα ασύρματα τοπικά δίκτυα και τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας, τα οποία αποτελούνται από ένα σταθερό AP αντίστοιχα, και οι κόμβοι τους μπορούν να επικοινωνήσουν μόνο με αυτό. Είναι μία μορφή δικτύων που ενσωματώνει τις τεχνολογίες των αδόμητων δικτύων (Ad hoc Networks), των ασύρματων τοπικών δικτύων (WLAN) και των κυψελωτών συστημάτων (Cellular Systems) και συνδυάζοντας τα με νέες εφαρμογές και μεθόδους, επιδιώκει επιτύχει την έξυπνη επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων και την σύνδεσή τους με το Διαδίκτυο. Βασικό στόχο έχουν να αυξήσουν την οδική ασφάλεια των οχημάτων, βελτιώνοντας τις συνθήκες κυκλοφοριακής κίνησης, προειδοποιώντας τους οδηγούς από τυχόν επικίνδυνες καταστάσεις τροχαίων ατυχημάτων. Τα Vehicular Ad hoc Networks συγκαταλέγονται στα «έξυπνα συστήματα μεταφοράς» και για να το πετύχουν αυτό χρησιμοποιούνται κατάλληλοι πομποδέκτες (On Board Units OBUs) που τοποθετούνται στα οχήματα. Ο εξοπλισμός του οχήματος μπορεί να είναι είτε GPS είτε κάποια άλλη συσκευή που διαθέτει τις κατάλληλες εφαρμογές πολυμέσων. Ως σημεία πρόσβασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφοροι εξοπλισμοί όπως σταθεροί σηματοδότες, φωτεινοί σηματοδότες ή και πινακίδες σήμανσης, οι οποίοι ως ακίνητοι κόμβοι του δικτύου[51]. 9

10 Φυσικά τα VANET μπορεί να διαθέτουν και κάποιον κύριο εξοπλισμό που να λειτουργεί ως κέντρο ελέγχου του δικτύου, με βασικές αρμοδιότητες την συλλογή πληροφοριών από τα AP ώστε να προβλέπονται οι διαρκώς μεταβαλλόμενες συνθήκες (πχ τοπολογία) του δικτύου. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των VANET είναι η επίτευξη της οδικής ασφάλειας, κυρίως μέσω των εφαρμογών ITS. Μεγάλες έρευνες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το μεγαλύτερο ποσοστό των συγκρούσεων λαμβάνει χώρα κατά την εκκίνηση, κατά την έξοδο από αυτοκινητόδρομο και σε διασταυρώσεις δρόμων. Επιπλέον τα VANET μπορούν να βοηθήσουν στην αποφυγή της κυκλοφοριακής συμφόρησης και στην εξεύρεση της βέλτιστης διαδρομής. Πολλές κυβερνήσεις ανά τον κόσμο, ερευνητικά κέντρα και μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες συνεργάζονται για την επίτευξη αυτών των στόχων. Στην Αμερική προβλέπεται η να γίνει υποχρεωτική από το Για την αποφυγή των συγκρούσεων και για την ενημέρωση της ασφαλέστερης διαδρομής, το οδικό δίκτυο χωρίζεται σε ευθείες και σε καμπύλες. Το σύστημα υπολογίζει την αναμενόμενη τροχιά του οχήματος και με βάση την ταχύτητα του και την απόσταση από τα άλλα οχήματα ή εμπόδια στέλνει τις ανάλογες πληροφορίες στους οδηγούς. 1.1 ΒΑΣΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ VANET - Οχήματα: Τα οχήματα είναι αναπόσπαστο κομμάτι των δικτύων VANET - Διπλός ρόλος των οχημάτων: Ο ρόλος των οχημάτων-κόμβων είναι διπλός καθώς πρέπει και να δέχονται δεδομένα αλλά και δρομολογούν οι ίδιοι πληροφορίες σε τρίτους - Δρομολόγηση δια μέσου πολλών αναπηδήσεων: Δεν διατίθεται κάποιος καθιερωμένος δρομολογητής. Κάθε κόμβος ενεργεί ως δρομολογητής και διαβιβάζει όποιο πακέτο φτάσει σε αυτόν από κάποιο άλλο κόμβο, ώστε να καθιερωθεί καταμερισμός πληροφοριών μεταξύ των εν κίνηση οικοδεσποτών - Γραμμική κίνηση: Η κίνησή των οχημάτων δεν είναι τυχαία στο χώρο αλλά είναι σχεδόν γραμμική καθώς ακολουθούν τη χάραξη των δρόμων και των διασταυρώσεων. Ακόμη και σε αστικές περιοχές, οι κατευθύνσεις των δρόμων είναι καθορισμένες και τα οχήματα είναι αναγκασμένα να ακολουθούν τις κατευθύνσεις αυτές καθώς εκτός των ρυθμίσεων της κυκλοφορίας υπάρχουν και τα φυσικά εμπόδια, όπως πχ τα κτήρια. Αυτό αποτελεί σημαντικό στοιχείο καθώς εφόσον λαμβάνοντας υπόψη μας την κίνηση αυτή, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε κατευθυντικές κεραίες, γεγονός που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα. - Αυτονομία και λιγότερη υποδομή: Τα VANET δεν βασίζονται σε οποιανδήποτε καθιερωμένη υποδομή ή συγκεκριμένη διοίκηση. Κάθε κόμβος λειτουργεί με διανεμημένο peer-to-peer τρόπο, ενεργεί σαν ανεξάρτητος δρομολογητής και παράγει ανεξάρτητα δεδομένα. Η διαχείριση του δικτύου πρέπει να διανεμηθεί διαμέσου διαφορετικών κόμβων, οι οποίοι προκαλούν προστιθέμενη δυσκολία στην ανίχνευση λαθών και στην διαχείριση. 10

11 - Δυναμικά μεταβαλλόμενες τοπολογίες δικτύων: Η τοπολογία του δικτύου αλλάζει συνεχώς -Δυναμική Τοπολογία. Εξαιτίας των υψηλών ταχυτήτων κίνησης και των συνεχών αλλαγών θέσεων των οχημάτων, καθώς και των μεταβαλλόμενων παραμέτρων λήψης και μετάδοσης η τοπολογία των VANET αλλάζει με ραγδαίους ρυθμούς. Αυτό καθιστά την δρομολόγηση ενός τέτοιου δικτύου, μαζί με άλλους παράγοντες (πχ. καιρικές συνθήκες), αρκετά πολύπλοκη. Στα εν κίνηση ad-hoc δίκτυα, εξαιτίας του γεγονότος ότι οι κόμβοι μπορούν να κινηθούν αυθαίρετα (ad-hoc), η τυπικά multi-hop τοπολογία του δικτύου, μπορεί να αλλάζει συχνά και απρόσμενα, με συνέπεια να υπάρχουν αλλαγές στις διαδρομές, συχνά χωρίσματα στο δίκτυο, και πιθανές απώλειες πακέτων. - Πομποδέκτες: Η χρήση κατάλληλων πομποδεκτών (On Board Units OBUs) για την επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων και των σταθμών βάσης, όπως πχ GPS ή άλλοι ενσωματωμένοι αισθητήρες, παρέχοντας απαραίτητες πληροφορίες για την ορθή δρομολόγηση. Τέτοιες πληροφορίες μπορεί να είναι τοπολογικές πληροφορίες, δεδομένα για των σχηματισμό γραμμών επικοινωνίας κ.α.. - Απεριόριστη Ισχύς: Η κατανάλωση ενέργειας δεν αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα για τα VANET καθώς τα οχήματα μπορούν να διαθέτουν συστήματα που προσφέρουν άφθονη ενέργεια και υπολογιστική ισχύ. Αυτό αποδεσμεύει τα πρωτόκολλα που υποστηρίζουν VANET από επιπρόσθετους μηχανισμούς εξοικονόμησης ενέργειας, αφού πλέον αυτές οι μεθοδολογίες δεν προσφέρουν κανένα απολύτως πλεονέκτημα. - Πυκνότητα κόμβων: Χρήση μικρού εύρους συχνοτήτων και εκπεμπόμενης ισχύος για την αποφυγή παρεμβολών. Αυτό οφείλεται λόγω της μεγάλης πυκνότητας των κόμβων κυρίως σε μεγαλουπόλεις που ενδέχεται να υπάρχει στο δίκτυο. Αντιθέτως, ένα τέτοιο δίκτυο μπορεί να παρουσιάζει μεγάλα «νεκρά» διαστήματα συνδεσιμότητας. Κάτι που μπορεί να προκληθεί λόγω της χαμηλής πυκνότητας των οχημάτων ή της μεγάλης απόστασής τους κυρίως σε αραιοκατοικημένες περιοχές). Εδώ έγκειται το θέμα της αξιοπιστίας του δικτύου. Μια λύση που προτείνεται είναι η χρήση αποθηκευτικών συσκευών σε σημεία του δικτύου. Οι συσκευές αυτές έχοντας μεγαλύτερη ακτίνα μετάδοσης αναλαμβάνουν την έγκυρη αποστολή του μηνύματος. - Ασταθής συνδεσιμότητα μεταξύ των οχημάτων, η οποία αποτελεί άμεσο αντίκτυπο λόγω της δυναμικής τοπολογίας του δικτύου και της πυκνότητας των οχημάτων, αφού μέσα σε ελάχιστο χρονικό διάστημα, οι αποστάσεις μεταξύ των κόμβων μπορούν να αλλάξουν ραγδαία. Υπάρχουσες συνδέσεις χάνονται ενώ νέες δημιουργούνται συνεχώς. - Παραλλαγή στις ικανότητες συνδέσεων και κόμβων: Κάθε κόμβος μπορεί να εξοπλιστεί με μία ή περισσότερες ράδιο-διεπαφές που έχουν ποικίλες ικανότητες για μετάδοση και λήψη, και λειτουργούν σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων. Αυτή η ετερογένεια στις ράδιο-ικανότητες των κόμβων μπορεί να οδηγήσει σε πιθανές ασυμμετρικές συνδέσεις. Επιπλέον, κάθε εν κίνηση κόμβος μπορεί να έχει μια διαφορετική διαμόρφωση σε υλικό και λογισμικό, κάτι που οδηγεί στην μεταβλητότητα των ικανοτήτων επεξεργασίας. Ο σχεδιασμός των πρωτοκόλλων και των αλγόριθμων δικτύου για αυτό το 11

12 ετερογενές δίκτυο μπορεί να είναι σύνθετος, απαιτώντας δυναμική προσαρμογή στις μεταβαλλόμενες συνθήκες (συνθήκες ισχύς και καναλιού, αλλαγές στη κίνηση φορτίων / διανομών, συμφόρηση, κ.λπ.). - Σκίαση: Η σκίαση είναι το αποτέλεσμα μεταβολής της ισχύος του σήματος λόγω της ύπαρξης εμποδίων ανάμεσα στους πομπούς (οχήματα και σταθερούς σταθμούς). Αποτελεί σημαντικό παράγοντα αφού επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την συνδεσιμότητα ενός δικτύου VANET. Ο τρόπος διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στα αστικά περιβάλλοντα διαφέρει πολύ από τη διάδοση στον ελεύθερο χώρο, διότι τα κτίρια παίζουν καθοριστικό ρόλο με το να μην επιτρέπουν στα κύματα να τα διαπεράσουν και με το να τα ανακλούν[8] - Ποιότητα Υπηρεσιών:Τέλος απαραίτητο και αδιαμφισβήτητο χαρακτηριστικό που πρέπει να διακρίνει ένα τέτοιο δίκτυο είναι η QoS of VANET (ποιότητα υπηρεσιών σε δίκτυα οχημάτων). 1.2 Βασικοί Παράγοντες των VANET Φυσικά ένα δίκτυο VANET πρέπει να έχει την ικανότητα να υποστηρίζει εφαρμογές πολυμέσων. Με βάση την ικανότητα αυτήν μπορούμε να διακρίνουμε κάποιους βασικούς παράγοντες καθοριστικής σημασίας[6][54]: 1. Ρυθμός Μεταφοράς Δεδομένων (Transfer Rate) Ορισμός: Ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων μεταξύ δύο συστημάτων ορίζεται ως το πλήθος των δυαδικών ψηφίων ή πακέτων που μπορεί να δεχτεί και να μεταδώσει το δίκτυο στην μονάδα του χρόνου (bits/sec ή packets/sec). Ο δείκτης αυτός μπορεί να αναφέρεται είτε στο μέγιστο ρυθμό εξυπηρέτησης, είτε στο ρυθμό εξυπηρέτησης που μπορεί να διατηρηθεί σταθερός από το δίκτυο. Σε πολλές περιπτώσεις ο παράγοντας αυτός αναφέρεται ως bit rate. 2. Καθυστέρηση Μεταφοράς Ορισμός: Η καθυστέρηση μεταφοράς του δικτύου είναι το χρονικό διάστημα μεταξύ της αποστολής του πρώτου bit ενός πλαισίου πληροφορίας και της λήψης του από τον τελικό δέκτη της επικοινωνίας. Ο δείκτης αυτός επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως πχ. από την καθυστέρηση μετάδοσης του σήματος στο φυσικό μέσο αλλά και από την καθυστέρηση πρόσβασης (access delay) δηλαδή τον χρόνο που απαιτείται για να ελευθερωθεί το μέσο ώστε να επιτραπεί η αποστολή των δεδομένων από το δίκτυο. Σε κάθε περίπτωση οι απαιτήσεις καθυστέρησης δεν είναι ίδια για όλες τις εφαρμογές. Μερικές δεν είναι ευαίσθητες στην καθυστέρηση όπως είναι το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και η αναπαραγωγή βίντεο. Αντιθέτως οι εφαρμογές πραγματικού χρόνου, τηλεδιάσκεψη και τηλεφωνία απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση αφού είναι ευαίσθητες στις καθυστερήσεις. [6] 12

13 3. Μεταβλητότητα της Καθυστέρησης Ο δείκτης αυτός δείχνει στην ουσία εάν ένα δίκτυο μπορεί να διατηρήσει σταθερή την καθυστέρηση μεταφοράς. Η παράμετρος αυτή παίζει σημαντικό ρόλο συνήθως μόνο στα δίκτυα που παρουσιάζουν μεγάλη διακύμανση της καθυστέρησης μεταφοράς. Να σημειώσουμε πως ορίζεται και ο όρος παραμόρφωση χρονισμού (jitter) που αναφέρεται συγκεκριμένα στην τυπική απόκλιση της καθυστέρησης μετάδοσης που οφείλεται αποκλειστικά στις συσκευές μετάδοσης. 4. Ισοχρονισμός Ορισμός: Ισόχρονη ονομάζεται μία επικοινωνία από άκρο σε άκρο, εάν το bit rate της σύνδεσης είναι εξασφαλισμένο και αν η μεταβλητότητα της καθυστέρησης είναι επίσης εξασφαλισμένη και μικρή. Αυτός ο παράγοντας είναι κρίσιμος όταν απαιτείται μετάδοση συνεχών ροών πληροφορίας, όπως για παράδειγμα οι εφαρμογές video, τηλεφωνίας και ήχου πραγματικού χρόνου. Τέτοιου είδους μεταδόσεις απαιτούν ένα σταθερό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων. 5. Multicasting Ορισμός: Multicasting είναι η ιδιότητα ενός δικτύου να αντιγράφει και να επαναπροωθεί δεδομένα που έχουν ως τελικούς παραλήπτες όλους τους κόμβους ενός συγκεκριμένου group. Αυτή η διαδικασία αποσκοπεί στην ελαχιστοποίηση των διαδρομών που χρησιμοποιούνται για να σταλθεί η ίδια πληροφορία και γίνεται σε καθορισμένα σημεία του δικτύου. 6. Ρυθμός Λαθών Ο παράγοντας αυτός είναι ίσως το σημαντικότερο στοιχείο ενός δικτύου, αφού το ζητούμενο είναι η ορθή μετάδοση και λήψη της πληροφορίας. Κάποια είδη λαθών που παρουσιάζονται κατά την μετάδοση μίας πληροφορίας είναι: Αλλοίωση των δεδομένων Χάσιμο δεδομένων Λήψη ίδιου μπλοκ πληροφορίας Λήψη σε λάθος σειρά 13

14 1.3 Εφαρμογές των VANET Σε ερευνητικό αλλά και επενδυτικό επίπεδο τα VANET παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον καθώς το πλήθος των εφαρμογών που μπορούν να υποστηρίξουν είναι πολύ μεγάλο και συνεχώς αυξανόμενο. Οι περισσότερες κινούνται γύρω από τους τομείς της ασφάλειας των οχημάτων και των επιβατών (ITS), της βελτίωσης των συνθηκών κυκλοφοριακής κίνησης αλλά και του τομέα της ψυχαγωγίας. Μερικές από αυτές μπορεί να είναι: προειδοποίηση συμβάντων ασφαλείας όπως: προειδοποίηση σύγκρουσης με προπορευόμενο όχημα, προειδοποίηση σύγκρουσης με όχημα από αντίθετη κατεύθυνση, προειδοποίηση αλλαγής κατεύθυνσης για αποφυγή σύγκρουσης, προειδοποίηση απότομα επιβραδυνόμενου προπορευόμενου οχήματος, προειδοποίηση τυφλού σημείου, προειδοποίηση διασταύρωσης με ή χωρίς προτεραιότητα, προειδοποίηση για όχημα έκτακτης ανάγκης (ασθενοφόρο, πυροσβεστική κτλ), προειδοποίηση για άγνωστο αντικείμενο μπροστά (κατολισθήσεις, ζώα κτλ), προειδοποίηση μή ασφαλής προσπέρασης. προειδοποίηση συμβουλευτικού χαρακτήρα όπως: προειδοποίηση βέλτιστης ταχύτητας, προειδοποίηση ανώτατης επιτρεπτής ταχύτητας (ελάττωση ταχύτητας), προειδοποίηση παραβίασης σήματος κυκλοφορίας, προειδοποίηση για φωτεινούς σηματοδότες και σήματα STOP, προειδοποίηση κλειστών στροφών, προειδοποίηση αλλαγής λωρίδας κυκλοφορίας, προειδοποίηση για αποφυγή μποτιλιαρίσματος, προειδοποίηση κατάστασης οχήματος (ασύρματη διάγνωση για πιθανές βλάβες) προειδοποίηση επικίνδυνης στροφής (καμπύλες στροφές), προειδοποίηση ολισθηρού οδοστρώματος. Ενημερώσεις και ψυχαγωγία όπως: ενημέρωση για σταθμούς διοδίων (αυτόματη πληρωμή διοδίων) ενημέρωση για κλιματολογικές συνθήκες ενημέρωση για κοντινά κέντρα ανεφοδιασμού (π.χ. βενζινάδικα) ενημέρωση για κοντινούς αρχαιολογικούς ή ιστορικούς προορισμούς Εφαρμογές Διαδικτύου : ασύρματη περιήγηση στο Internet ασύρματη τηλεφωνία μέσω Internet ασύρματη πρόσβαση σε ηλεκτρονικό ταχυδρομείο διαδικτυακά παιχνίδια και online movies για τους συνεπιβάτες Η διερεύνηση γύρω από την δυναμικότητα των δικτύων οχημάτων, από πολλές κοινοπραξίες μεγάλων οργανισμών όπως οι αυτοκινητοβιομηχανίες, οι φορείς οδικών μεταφορών και οργανισμών διοδίων, υπηρεσίες ενημέρωσης και ψυχαγωγίας ακόμη και κρατικοί φορείς, βρίσκεται ακόμη σε εξέλιξη. Γενικά με την ραγδαία αύξηση των τεχνολογιών που αναπτύσσονται στον τομέα των VANET, οι εφαρμογές Διαδικτύου που υποστηρίζουν μπορεί να είναι εφάμιλλες αυτών ενός ασύρματου τοπικού δικτύου. 14

15 1.4 ΤΟΠΟΛΟΓΙΕΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΕΣ VANET Στα VANET συναντάμε τρεις διαφορετικές αρχιτεκτονικές δικτύου: 1) Αμιγώς κυψελωτή WLAN αρχιτεκτονική 2) Αμιγώς Ad-hoc (αδόμητη) αρχιτεκτονική 3) Υβριδική αρχιτεκτονική Στην πρώτη περίπτωση το δίκτυο χρησιμοποιεί σημεία ελέγχου (AP - Access Point) που τοποθετούνται σε σημαντικά σημεία του δικτύου, όπως διασταυρώσεις, με κύριες αρμοδιότητες να συνδέει τα οχήματα με το Internet, να συλλέγει δεδομένα από τα οχήματα, να μεταδίδει πληροφορίες σε αυτά ή και να τα δρομολογεί. Η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική παρέχει συνδεσιμότητα και καλύτερη ποιότητα επικοινωνίας καθώς αποτελείται από σταθερό κόμβο. Ανασταλτικός παράγοντας εδώ είναι το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας του σταθερού εξοπλισμού. Στην δεύτερη περίπτωση, αυτήν της Ad-hoc, στο δίκτυο υφίστανται μόνο κινητοί κόμβοι-οχήματα και σημεία πρόσβασης (AP). Η επικοινωνία εδώ βασίζεται μέσω γειτονικών κόμβων ή πολλαπλών βημάτων (προώθηση). Το δίκτυο δεν απαιτεί σταθερή δομή αφού οργανώνεται μόνο του αλλά υστερεί σε απόδοση αφού επηρεάζεται από την συνεχή κίνηση των οχημάτων και την μή συνεχή παρουσία τους σε καίρια σημεία του δικτύου. Έτσι προέκυψε η υβριδική αρχιτεκτονική που είναι συνδυασμός των προαναφερθέντων. Η υλοποίηση του συνδυάζει τις συνδέσεις οχημάτων-σταθερού εφοπλισμού (Vehicular To Infrastructure VTI) και των συνδέσεων οχήματοςοχήματος (Vehicular To Vehicular VTV). Αντίστοιχα θα λέγαμε πως συνδυάζει τα κυψελωτά δίκτυα με την αρχιτεκτονική των ασύρματων τοπικών δικτύων (WLAN). Απαραίτητες ιδιότητες για την ορθή λειτουργία και υλοποίηση των VANETs, είναι αφενός η σωστή μελέτη για την τοποθέτηση και κατανομή των AP καθώς και των ομάδων συχνοτήτων στην περιοχή που ενεργεί ο καθένας και αφετέρου επειδή κάθε κόμβος έχει μία δεδομένη εμβέλεια, καθιστά απαραίτητη την μείωση της εκπεμπόμενης ισχύς για την αποφυγή παρεμβολών. 1.5 Από τα MANET στα VANET Πρώτιστα τα δίκτυα MANET-Mobile Ad hoc Networks δημιουργήθηκαν από την επιτακτική ανάγκη επικοινωνίας σε στρατιωτικές επιχειρήσεις. Η εκ των πραγμάτων δυναμική φύση των στρατιωτικών διαδικασιών έθετε την αναγκαία ύπαρξη μιας μη προκαθορισμένης τοπολογικά ασύρματης υποδομής επικοινωνίας στο πεδίο των μαχών. Τα MANETs κατάφεραν να καλύψουν πλήρως τα χαρακτηριστικά αυτά. Το πέρασμα και σε εμπορικό επίπεδο, πέρα της στρατιωτικής δομής, ξεκίνησε με την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών όπως το Bluetooth, το IEEE και του HIPERLAN (το τελευταίο πρόκειται ουσιαστικά για μία ευρωπαϊκή εναλλακτική λύση αντί του ΙΕΕΕ αλλά λόγω του ανταγωνισμού του με το IEEE που είναι σαφώς πιο απλούστερο στη εφαρμογή και στην λειτουργία του, δεν έλαβε ποτέ μεγάλη εμπορική επιτυχία)[7]. 15

16 Ένα MANET είναι ένα αυτορυθμιζόμενο και χωρίς υποδομή δίκτυο κινητών συσκευών που συνδέονται μέσω ασύρματων ζεύξεων. Είναι ένα είδος ασύρματων ad hoc δικτύων με δρομολογήσιμο δικτυακό περιβάλλον στην κορυφή του στρώματος Ζεύξης Δεδομένων του Μοντέλου Αναφοράς OSI. Κάθε συσκευή σε ένα MANET είναι ελεύθερη να κινηθεί σε κάθε κατεύθυνση, και ως εκ τούτου να αλλάζει συχνά τις ζεύξεις της με άλλες συσκευές. Καθεμιά θα πρέπει να προωθεί την κυκλοφορία των δεδομένων που δε σχετίζονται με τη δική της χρήση, και συνεπώς να λειτουργεί ως δρομολογητής. Η κύρια πρόκληση για την οικοδόμηση ενός MANET είναι ο εφοδιασμός κάθε συσκευής έτσι ώστε να διατηρεί συνεχώς τις πληροφορίες που απαιτούνται για να δρομολογεί κατάλληλα την κυκλοφορία. Τα εν λόγω δίκτυα μπορούν είτε να λειτουργήσουν αυτόνομα είτε να συνδεθούν στο Internet. Η ανάπτυξη των φορητών υπολογιστών και ασύρματης δικτύωσης /Wi-Fi έχουν καταστήσει τα MANET ένα δημοφιλές θέμα έρευνας από τα μέσα της δεκαετίας του '90. Συγκριτικά με τα ενσύρματα τοπικά δίκτυα παρέχουν ευελιξία, κινητικότητα και υπό προϋποθέσεις χαμηλότερο κόστος. Τα MANET είναι ευρισκόμενα μία κλίμακα μεγέθους πάνω από τα WLAN (Wireless Local Area Networks). Πρόκειται για ασύρματα ad hoc LAN με ενσωματωμένο επίπεδο δικτύου, όπου κάθε κόμβος λειτουργεί και ως δρομολογητής. Στόχος τους είναι να παρέχουν τη δυνατότητα άμεσης λογικής ζεύξης, χωρίς προϋπάρχουσα υποδομή, από όλους τους κόμβους προς όλους τους κόμβους ακόμα και αν ο παραλήπτης είναι εκτός της εμβέλειας του αποστολέα αρκεί κάθε κόμβος να έχει επαφή με τουλάχιστον άλλον έναν σταθμό του δικτύου. Στην πράξη τα δίκτυα MANET μπορούν να υλοποιηθούν με πρωτόκολλα και με χρήση της τυπικής στοίβας TCP/IP, αλλά επειδή το IP δεν είναι πρωτόκολλο κατάλληλο για δυναμικά ad hoc δίκτυα χρησιμοποιούνται οι διευθύνσεις MAC ως σταθερές διευθύνσεις επιπέδου δικτύου. Έτσι δημιουργείται η ψευδαίσθηση μίας μη ιεραρχικής παραλλαγής δικτύου IP, όπου όλοι οι κόμβοι είναι ισότιμοι και έχουν αμετάβλητες διευθύνσεις ασχέτως της θέσης τους.[8] Αυτή τη στιγμή υπάρχουν εμπορικές υλοποιήσεις δικτύων αισθητήρων ή WSN(Wireless Sensor Networks) αν και φυσικά επίσης αποτελούν εστία μεγάλης ερευνητικής δραστηριότητας. Οι εμπορικές υλοποιήσεις αφορούν κάρτες δικτύου με ενσωματωμένους πομποδέκτες, χωρίς όμως να υπάρχουν ακόμη καθολικώς αποδεκτά πρότυπα. Τα WSN διαφέρουν από τα MANET στο ότι οι κόμβοι δεν είναι πλήρεις φορητοί υπολογιστές, αλλά στοιχειώδεις υπολογιστικές συσκευές περιορισμένων πόρων οι οποίες παρέχουν περιβαλλοντικές μετρήσεις από ενσωματωμένους αισθητήρες. Μοιάζουν με τα MANET στο ότι πρόκειται για ασύρματα ad hoc δίκτυα με επιπρόσθετο επίπεδο δικτύου, όπου οι σταθμοί μετακινούνται και η τοπολογία των κόμβων και των μεταξύ τους συνδέσεων εμφανίζεται δυναμική και απρόβλεπτη. Μια άλλη παραλλαγή ad hoc δικτύου είναι τα πλεγματικά δίκτυα ή WMN(Wireless Mesh Networks), στα οποία οι κόμβοι δεσμεύονται από πολύ μικρά έως μηδενικά περιθώρια κινητικότητας και η τοπολογία είναι αυστηρά στατική.[9] 16

17 Κεφάλαιο 2 : Το Πρότυπο IEEE Οι εκδόσεις της οικογένειας πρωτοκόλλων Η ανάπτυξη των προτύπων για ασύρματα τοπικά δίκτυα από το IEEE ξεκίνησε περί τα τέλη της δεκαετίας του 1980, μετά από το άνοιγμα των τριών ραδιοφωνικών ζωνών ISM για χρήση χωρίς άδεια από την Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC), το 1985, φτάνοντας τελικά το 1997, με την έγκριση και δημοσίευση του προτύπου Από εκείνη την στιγμή και μετά το αρχικό πρότυπο έχει υποστεί πολλές αναθεωρήσεις και επεκτάσεις, κερδίζοντας τον ανταγωνισμό στον τομέα των ασύρματων δικτύων και μάλιστα η επέκταση b είναι το πρώτο πρότυπο που βγήκε στην αγορά, γνωστό ως WiFi. Συνοπτικά η πορεία εξέλιξης του προτύπου , με αλφαβητική σειρά έχει ως εξής[10][21][51]: (original) : Η πρώτη έκδοση του εισήχθη το 1997 και στο φυσικό επίπεδο περιελάμβανε δύο μεθόδους διασποράς φάσματος (Spread Spectrum) για την μετάδοση στην ζώνη των 2.4GHz. Υποστηρίζει τόσο ad hoc δίκτυα όσο και δίκτυα με σταθμούς βάσης. Η πρώτη μέθοδος λειτουργούσε με εξάπλωση φάσματος συνεχούς αλλαγής συχνότητας (FHSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης 1Mbps, ενώ η δεύτερη μέθοδος λειτουργούσε με εξάπλωση φάσματος άμεσης ακολουθίας (DSSS) και υποστήριζε ρυθμό μετάδοσης μέχρι 2 Mbps.Να σημειώσουμε πως περιλαμβάνονταν και μία υπέρυθρη εκδοχή (IR) a : Το πρότυπο αυτό παρουσιάστηκε το 1999 και είναι διαμορφωμένο κατάλληλα για WLAN, υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς ταχύτητας και ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 54Mbps, χρησιμοποιώντας την μέθοδο Ορθογωνική Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) στην ISM ζώνη συχνοτήτων των 5GHz b : Το 1999 επίσης το b πρότυπο ώθησε την ταχύτητα στα 11Mbps (1, 2, 5.5, 11Mbps) χρησιμοποιώντας διασπορά φάσματος με άμεση ακολουθία (DSSS) στην ζώνη συχνοτήτων των 2,4GHz. Οι ρυθμοί λειτουργίας στα 1 και 2 Mbps ισχύουν ακόμη, έτσι ώστε οι συσκευές να μπορούν να πέσουν σε χαμηλότερες ταχύτητες για να διατηρήσουν μία σύνδεση, όταν τα σήματα είναι αδύνατα. Με την έκδοση αυτή του b, ο όρος WiFi άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως για όλα τα ασύρματα δίκτυα και οι ασύρματες κάρτες δικτύωσης της IEEE να εξαπλώνονται ταχέως d : Η αναθεώρηση αυτή δίνει την δυνατότητα στους σταθμούς να διαμορφώσουν κατάλληλα την λειτουργία τους για να συμμορφωθούν με του τοπικούς κανονισμούς RF (ραδιοσυχνότητες). Αυτές οι οδηγίες περιλαμβάνουν για παράδειγμα τα επίπεδα ισχύος και το εύρος ζώνης του σήματος και να διαμορφώσουν κατάλληλα το MAC level στις επιτρεπόμενες συχνότητες e : Το 2005 παρουσιάστηκε το πρότυπο e το οποίο είναι ουσιαστικά ένα σύνολο επεκτάσεων που παρέχει στα προηγούμενα πρότυπα έναν έξυπνο μηχανισμό για την παροχή της ποιότητας των υπηρεσιών. Ο μηχανισμός αυτός λειτουργεί επεκτείνοντας το CSMA/CA με προκαθορισμένα χρονικά διαστήματα ανάμεσα στα πλαίσια με σκοπό να δοθεί προτεραιότητα στις ευαίσθητες εφαρμογές Είναι το πλαίσιο εκείνων των επεκτάσεων που ουσιαστικά εξασφαλίζει την Ποιότητα των Υπηρεσιών (QoS) στα πρότυπα. 17

18 802.11f : Καθορίζει τις συνήθεις πρακτικές που πρέπει να εκτελέσουν τα πρωτόκολλα των Σημείων Πρόσβασης, ώστε να μπορέσουν αυτά να ανταλλάξουν τις πληροφορίες εκείνες που απαιτούνται για την υποστήριξη των υπηρεσιών του Συστήματος Διανομής. Εξασφαλίζει την διαλειτουργικότητα των APs με σκοπό να μπορούν να συνδέονται και να λειτουργούν με άλλα συστήματα (π.χ. Διαδίκτυο) χωρίς περιορισμούς στην πρόσβασή τους ή άλλους φραγμούς στην υλοποίηση g : Το πρότυπο αυτό χρησιμοποιώντας την μέθοδο διαμόρφωσης OFDM καταφέρνει ταχύτητες δεδομένων έως 54Mbps, λειτουργώντας στην ζώνη συχνοτήτων των 2,4GHz. Επίσης είναι συμβατό με το πρότυπο b και μπορούν να λειτουργούν στο ίδιο δίκτυο, ρίχνοντας όμως τις ταχύτητες μεταφοράς στα επίπεδα που ορίζει το b ώστε να μπορούν να συγχρονιστούν. Να σημειώσουμε πως είναι συνηθισμένο πλέον μία κάρτα δικτύου να υποστηρίζει όλες τις μορφές δικτύου b/a/g. Αυτό είναι εύλογο καθώς με τόσες επιλογές συχνά προκαλούσε σύγχυση και προβλήματα συντονισμού h : Η αναθεώρηση αυτή διαχειρίζεται το φάσμα συχνοτήτων στην μπάντα των 5GHz χρησιμοποιώντας Δυναμική Επιλογή Συχνότητας ή DFS (Dynamic Frequency Selection) και Έλεγχο της Ισχύος Μετάδοσης ή TPC (Transmit Power Control) με σκοπό να πληρούν τις Ευρωπαϊκές προδιαγραφές για την ελαχιστοποίηση των παρεμβολών με στρατιωτικές επικοινωνίες i : To 2004 παρουσιάστηκε το i πρότυπο που επικεντρώνεται σε θέματα ασφάλειας στα ασύρματα τοπικά δίκτυα, όπως ταυτοποίηση και αυθεντικοποίηση των χρηστών. Ακόμη για την κρυπτογράφηση των δεδομένων εφαρμόζει ένα Προηγμένο Πρότυπο Κρυπτογράφησης ή AES (Advanced Encryption Standard) j : Αποτελεί την Ιαπωνική ρυθμιστική επέκταση του a με την προσθήκη καναλιών στις ραδιοσυχνότητες μεταξύ 4,9 και 5,0GHz k : Σκοπός του είναι να βελτιστοποιήσει την απόδοση του δικτύου, καθορίζοντας την αποτελεσματικότερη τοποθέτηση των APs στο δίκτυο αλλά και την αποτελεσματικότερη επιλογή του καναλιού επικοινωνίας n Τον Οκτώβριο του 2009 οριστικοποιήθηκαν τεχνικές μετάδοσης που χρησιμοποιούν ταυτόχρονα πολλές κεραίες (τέσσερις) στον πομπό και τον δέκτη εκτοξεύοντας με αυτόν τον τρόπο την ταχύτητα μέχρι τα 150 Mbps. Αυτή η τεχνική ονομάστηκε τεχνική επικοινωνίας Πολλαπλής Εισόδου Πολλαπλής Εξόδου ή MIMO (Multiple Input Multiple Output). Η χρήση τεσσάρων κεραιών δίνει μεγάλη αύξηση στην ταχύτητα, καλύτερη εμβέλεια και αξιοπιστία. Την τεχνική αυτήν αξιοποίησε το πρότυπο n. Στόχος του προτύπου αυτού είναι η υψηλή διεκπεραιωτική ικανότητα (throughput τουλάχιστον 100Mbps). Για την επίτευξη του στόχου το n κάνει χρήση διπλάσιου εύρους ζώνης (40 MHz αντί 20MHz που λειτουργούν τα προηγούμενα πρότυπα) και λειτουργεί στις ζώνες συχνοτήτων των 2,4GHz και 5GHz, διατηρώντας παράλληλα συμβατότητα με τα πρότυπα a, b και g. 18

19 802.11p : Το πρότυπο αυτό σχεδιάστηκε αποκλειστικά για Ασύρματη Πρόσβαση σε Περιβάλλοντα Οχημάτων - WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment). To πρότυπο αυτό βασίζεται στην μέθοδο μετάδοσης Ορθογωνική Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας OFDM στο φυσικό επίπεδο αλλά χρησιμοποιεί κανάλια των 10 MHz σε αντίθεση με τα προηγούμενα πρότυπα που χρησιμοποιούν κανάλια των 20 MHz. Ως αποτέλεσμα αυτού οι ο ρυθμός μετάδοσης και μεταγωγής των δεδομένων κυμαίνονται από 3 έως 27 Mbps για κάθε κανάλι. To IEEE p λειτουργεί στην ζώνη των GHz. Τα περισσότερα μοντέλα που κυκλοφορούν στην αγορά σήμερα και υποστηρίζουν την ασύρματη επικοινωνία σε περιβάλλον οχημάτων βασίζονται σε αυτό το πρότυπο r : Δίνει την δυνατότητα γρήγορης μεταβίβασης των κινητών σταθμών στους σταθμούς περιαγωγής και στα APs, με σκοπό να αντιμετωπίσει την καθυστέρηση στις ευαίσθητες υπηρεσίες όπως το VoIP s : Αποτελεί μια επέκταση του MAC για την υποστήριξη των ESS (Extended Service Set) σε δίκτυα Mesh. Το πρωτόκολλο αυτό επιτρέπει την παράδοση των μηνυμάτων ακόμη και αν ο δέκτης δεν βρίσκεται στο ίδιο Βασικό Σύνολο Υπηρεσιών (BSS), με την δημιουργία ενός αυτορυθμιζόμενου δικτύου επικοινωνιών που αποτελείται από ασύρματους κόμβους οργανωμένους σε τοπολογίες πλέγματος WMN (Wireless Mesh Network) u : Το πρότυπο αυτό τροποποιεί το PHY και MAC επίπεδο ώστε να παρέχουν μια γενική και τυποποιημένη προσέγγιση για την συνεργασία ενός δικτύου με δίκτυα άλλης μορφής όπως το Bluetooth, ZigBee και WiMax. IEEE 1606 trial WAVE: Εν τέλει προτάθηκε μια σειρά από δοκιμαστικές εκδόσεις που ονομάζονται IEEE 1609 trial WAVE πρότυπο. Το πλαίσιο IEEE 1609 βασίζεται στο πρότυπο IEEE p, αλλά εκτός το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο MAC προβλέπει ακόμη δύο παράλληλες στοίβες πάνω από αυτά, η πρώτη για UDP/TCP (User Datagram Protocol/Transmission Control Protocol) και η δεύτερη ονομάζεται Wave Short Message Protocol (WSMP) στην οποία ρυθμίζονται διάφοροι παράμετροι χαμηλού επιπέδου όπως οι ρυθμοί δεδομένων και το επίπεδο διαβιβαστικής ισχύος. IEEE ac: Τον Ιανουάριο του 2014 εγκρίθηκε το πρότυπο ac. Λειτουργεί στην μπάντα των 5GHz και υπόσχεται ταχύτητες τουλάχιστον 1Giga bit/seconds με τον πραγματικό ρυθμό διαμεταγωγής να προσεγγίζει τουλάχιστον 500Mbps.Αποτελεί την εξέλιξη του προτύπου n με επέκταση των χαρακτηριστικών του, αφού χρησιμοποιώντας την τεχνική MIMO προσφέρει Εύρος Ζώνης μέχρι 160 MHz, διπλασιάζοντας τις κεραίες σε πομπό και δέκτη (μέχρι 8). Διαμορφώνει την ζώνη διελεύσεως με την τεχνική QAM (Quadrature amplitude modulation) προσφέρει μέχρι 256 κανάλια. Το πρότυπο ac αναμένεται να φέρει μεγάλες αλλαγές στον κόσμο των VANETs αν και ακόμη είναι σε πρώιμο στάδιο. IEEE ad: Τέλος το πρότυπο αυτό προορίζεται να λειτουργήσει στην ζώνη συχνοτήτων των 60MHz με εύρος ζώνης καναλιών 2160MHz και με maximum data rate να προσεγγίζει τα 7GHz. 19

20 Συγκεντρωτικός Πίνακας Προτύπων protocol Έτος Συχνότητα (GHz) Εύρος ζώνης (MHz) Ρυθμός μετάδοσης MI MO Διαμόρφωση original , 2 - DSSS FHSS Εμβέλεια (outdoor) 100 m a b ,9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 1, 2, 5.5, 11 - OFDM 120 m - DSSS 140 m g , 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54 - OFDM DSSS 140 m n , 13, 19.5, 26, 39, 52, 58.5, , 27, 40.5, 54,81, 108, 121.5, OFDM 250 m ac , 58.5, 87.8, 117, 175.5, 234, 263.2, 292.5, 351, , 117, 175.5, 234, 351, 468, 702, OFDM - ad Up to 6.75 Gbps - OFDM - Πίνακας [1] Εκτός από τα πρότυπα που είδαμε επιγραμματικά εδώ, έχουν δημοσιευτεί πολλά ακόμη, με τα περισσότερα να αφορούν σε βελτιώσεις στα ήδη υπάρχοντα. Εμείς θα ασχοληθούμε κυρίως με το project p το οποίο σχεδιάστηκε επακριβώς για τις ανάγκες ενός ασύρματου δικτύου σε περιβάλλον οχημάτων. Επίσης θα αναφερθούμε και στο project e το οποίο προσφέρει το QoS και θα εξετάσουμε με ποιες τεχνικές το πετυχαίνει. 20

21 2.2 Εισαγωγή στο πρότυπο Το πρότυπο υποστηρίζει τοπολογίες δικτύου υποδομής, χρησιμοποιώντας Σημεία Πρόσβασης ή AP (Access Point) που συνδέουν το δίκτυο με την υποδομή ενός ενσύρματου δικτύου κορμού LAN, που ονομάζεται Σύστημα Διανομής (distribution system). Μπορούν να υπάρχουν πολλά σημεία πρόσβασης που συνδέονται μεταξύ τους έτσι στα VANET τα οχήματα μπορούν να επικοινωνούν με άλλα οχήματα μέσω των σημείων πρόσβασής τους. Το σύνηθες μοντέλο που περιγράφει τέτοια δίκτυα είναι το εξής: υπάρχει ένα ενσύρματο δίκτυο κορμού (σύστημα κατανομής, DS) στο οποίο συνδέονται τα σταθερά σημεία πρόσβασης (AP). Μία ομάδα κοινών κόμβων (Station) που επικοινωνούν ασύρματα με ένα συγκεκριμένο AP σε συγκεκριμένη συχνότητα ονομάζεται Βασικό Σύνολο Υπηρεσιών (BSS). Τα BSS διασυνδέονται μεταξύ τους μέσω του DS. Ας σημειωθεί ότι μπορεί οι κόμβοι ενός ΒSS να μην είναι όλοι στην εμβέλεια όλων των άλλων, αλλά πρέπει οπωσδήποτε όλα να είναι στην εμβέλεια του σημείου πρόσβασης. Επίσης υποστηρίζει και τοπολογίες Ad-hoc networks (αδόμητες), όπου οι κινητοί κόμβοι μπορούν να επικοινωνούν και να αλληλεπιδρούν απευθείας μεταξύ τους χωρίς την ύπαρξη κάποιας υποδομής. Σε τοπολογίες ad hoc το BSS είναι ανεξάρτητο γι αυτό ονομάζεται Independent BSS (IBSS) ή Wireless BSS (WBSS) αναλόγως εάν χρησιμοποιούνται οι διαδικασίες σύνδεσης (association) και αυθεντικοποίησης (authentication) αντίστοιχα. Τα αδόμητα αυτά δίκτυα ονομάζονται αλλιώς δίκτυα ειδικού σκοπού ή επιτόπου διαμορφωνόμενα δίκτυα. Είναι δηλαδή ασύρματα δίκτυα ομότιμων κόμβων και αυθαίρετα μεταβαλλόμενης τοπολογίας τα οποία δεν απαιτούν καμία προϋπάρχουσα υποδομή και δημιουργούνται δυναμικά, με κόμβους να προστίθενται αυτομάτως στο δίκτυο όταν βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του και να αποχωρούν από χωρίς καμία επίπτωση. Επίσης η περιοχή κάλυψης ενός BSS ονομάζεται Basic Service Area (BSA). Η εικόνα παρακάτω παρουσιάζει τις 2 εκδοχές αρχιτεκτονικής (ad-hoc και δομημένη) που υποστηρίζει το πρότυπο Εικόνα 1 21

22 Όλα τα BBS έχουν ένα όνομα δικτύου και μία μοναδική ταυτότητα. Για τον ορισμό της ταυτότητας χρησιμοποιείται η διεύθυνση MAC του σημείου ασύρματης πρόσβασης (Wireless AP) που παράγεται από την ταυτότητα του κατασκευαστή και από την ταυτότητα της κάρτας δικτύωσης. Η ταυτότητα αυτήν είναι αποτελεί την MAC Address του δικτύου και ονομάζεται BSSID. Το πρότυπο επιτρέπει σε δύο ή περισσότερα APs να είναι διασυνδεδεμένα ασύρματα. Σε αυτήν την περίπτωση μπορούν τα BSS αυτών των APs να μοιράζονται μια κοινή ταυτότητα και όνομα. Τότε το σύνολο αυτών των BSS ονομάζεται Εκτεταμένο Σύνολο Υπηρεσιών ή ESS (Extended Service Set) και η περιοχή κάλυψης αυτών ESA. Σε αυτές τις περιπτώσεις τα ESS φαίνονται ως ένα ενιαίο BSS στο υποεπίπεδο LLC και έτσι διευκολύνει τους κινητούς κόμβους να μετακινούνται από BSS σε BSS χωρίς να χρειάζεται να χρειάζεται συνεχώς να πιστοποιούν την ταυτότητά τους. Η ταυτότητα δικτύου σε αυτές τις περιπτώσεις ονομάζεται αντίστοιχα ESSID. Πριν την εμφάνιση του δεν υπήρχε κάποιο ευρέως αποδεκτό πρότυπο για ασύρματα τοπικά δίκτυα, ούτε ανάλογες εμπορικές εφαρμογές, καθώς η τεχνολογία ασύρματης δικτύωσης δεν ήταν ακόμη σε προχωρημένο στάδιο. Γενικά όλα τα πρωτόκολλα 802, συμπεριλαμβανομένου του και του (Ethernet), έχουν κάποια κοινά στοιχεία στην δομή τους. Το φυσικό επίπεδο αντιστοιχεί αρκετά πιστά με το φυσικό επίπεδο του OSI, όμως το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων σε όλα τα πρωτόκολλα 802 διαιρείται στα υποεπίπεδα MAC και LLC. Στο το υποεπίπεδο MAC (Ελέγχου Προσπέλασης Μέσων) ορίζει τον τρόπο με τον οποίο θα γίνει η εκχώρηση του καναλιού, ενώ το υποεπίπεδο LLC (Έλεγχος Λογικού Συνδέσμου) διαμορφώνει τις πληροφορίες κατάλληλα έτσι ώστε τυχόν παραλλαγές του πρωτοκόλλου ανάμεσα σε πομπό και δέκτη να γίνονται αόρατες, όσον αφορά το επίπεδο δικτύου. Ουσιαστικά μπορούμε να πούμε πως αποτελεί απλώς ένα συνδετικό επίπεδο αφού δεν έχει σημαντικές αρμοδιότητες και απλώς προσδιορίζει το πρωτόκολλο από το οποίο προέρχεται το πλαίσιο. Οι περισσότερες κυβερνήσεις έχουν δεσμεύσει κάποιες ζώνες συχνοτήτων, που ονομάζονται ζώνες Βιομηχανίας, Επιστήμης και Ιατρικής ή ISM (Industrial, Scientific, Medical) για την χρήση τους χωρίς άδεια και αντίστοιχα ζώνες Μη Αδειοδοτημένης Εθνικής Υποδομής Πληροφοριών ή U-NII (Unlicensed National Information Infrastructure). Για να ελαχιστοποιηθούν οι παρεμβολές ανάμεσα στις διάφορες συσκευές η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC) ορίζει ότι όλες οι συσκευές που λειτουργούν στις ζώνες ISM πρέπει να περιορίζουν την ισχύ μετάδοσής τους και να χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές εξάπλωσης φάσματος για το σήμα τους. Η ζώνη των 900 MHz χρησιμοποιήθηκε στην πρώτη έκδοση του προτύπου αλλά παρουσιάζει προβλήματα «συνωστισμού». Η ζώνη των 2.4 GHz [11] είναι διαθέσιμη στις περισσότερες χώρες και χρησιμοποιείται ευρέως σε δίκτυα b και g, όπως και από το Bluetooth. Στην περιοχή των 5GHz ζώνη U-NII δραστηριοποιείται το πρότυπο a και το πρότυπο p (WAVE). 22

23 Οι ζώνες συχνοτήτων ISM (Industrial, Scientific, Medical) Εικόνα Η Ζώνη συχνοτήτων 2.4GHz Η ζώνη των 2.4 GHz (εικόνα 3) χωρίζεται σε 14 κανάλια με απόσταση 5 MHz μεταξύ τους, με εξαίρεση ένα διάστημα 12MHz ανάμεσα στα κανάλια 13 και 14. Επειδή το πρότυπο ορίζει πως όλες οι η ισχύς ενός σήματος θα κατανέμεται σε όλο το κανάλι, τότε τα διαθέσιμα κανάλια χωρίς επικάλυψη που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι σταθμοί είναι το Κανάλι1, Κανάλι6, Κανάλι11. Το κανάλι14 αν και δεν επικαλύπτεται υπόκειται σε πρόσθετους περιορισμούς ή και ακόμη σε ορισμένες περιοχές δεν είναι διαθέσιμο για χρήση. Γι αυτό τον λόγο το διαθέσιμο εύρος κυμαίνεται μεταξύ του 2,400-2,483.5 MHz το οποίο καλύπτει εξ ολοκλήρου τα κανάλια 1 έως 13. Για να το πετύχουν την σωστή κατανομή του σήματος σε ένα κανάλι, οι τεχνικές εξάπλωσης του σήματος χρειάζεται να εξασθενίσουν το σήμα από την κορυφή του πλάτους του καναλιού (π.χ. στο CH1 είναι 2.412GHz) ως το ±11 ΜΗz εφόσον το κανάλι είναι εύρους 22MHz. Οι παρεμβολές λοιπόν αποφεύγονται με τον συνδυασμό δύο μεθόδων: 1 ον η χρήση πομπών και κεραιών χαμηλής ισχύος και 2 ον την εξασθένιση του σήματος στα όρια του εύρους ζώνης του καναλιού. Γενικά η διαθεσιμότητα των καναλιών έγκειται στις πολιτικές της εκάστοτε χώρας η οποία καθορίζει τις επιτρεπόμενες για χρήση περιοχές του ραδιοφάσματος. 23

24 Στις προδιαγραφές του IEEE std υπάρχει ρητός κανονισμός ότι σε ένα δίκτυο οι σταθμοί μπορούν να χρησιμοποιήσουν διαφορετικά κανάλια, εάν και μόνο η απόσταση μεταξύ των κεντρικών συχνοτήτων των καναλιών είναι τουλάχιστον 25MHz [4]. Γι αυτόν τον λόγο ακόμη και αν η ζώνη των 2.4 GHz κατανεμηθεί σε κανάλια εύρους 10MHz (σύμφωνα με την μέθοδο OFDM), οι σταθμοί είναι υποχρεωμένοι να χρησιμοποιήσουν τα ίδια κανάλια (μέθοδος DSSS), χωρίς αυτό να σημαίνει όμως ότι τα υπόλοιπα κανάλια δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Υπό ορισμένες συνθήκες και με την χρήση πιο προηγμένων τεχνολογιών (όπως φασματικοί αναλυτές) υπάρχει η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν και επικαλυπτόμενα κανάλια. Επιπλέον σύμφωνα με την WiFi Alliance, οι συσκευές που πιστοποιούνται δεν θα μεταδίδουν με ισχύ πάνω από επιτρεπόμενο όριο. Γραφική αναπαράσταση των καναλιών στη ζώνη των 2.4 GHz Εικόνα 3 Αντιθέτως με την ζώνη των 2.4 GHz η οποία προορίζεται για χρήση σε πολλούς τομείς της τεχνολογίας, η ζώνη των 5.9 GHz (5.850 έως 5.925GHz) είναι αφιερωμένη σε ασύρματα τοπικά δίκτυα που υποστηρίζουν εφαρμογές ITS. Η τροπολογία p/WAVE δημιουργήθηκε γι αυτόν ακριβώς λόγο. Θα εξετάσουμε αναλυτικά την ζώνη αυτή παρακάτω. 2.3 Ο όρος WiFi (Wireless Fidelity) Τα πρότυπα IEEE είναι ευρύτερα γνωστά ως «WiFi» (Wireless Fidelity), επειδή η WiFi Alliance[53], ένας οργανισμός ανεξάρτητος της IEEE, παρέχει την πιστοποίηση για τα προϊόντα που υπακούν στις προδιαγραφές του Αυτή η οικογένεια πρωτοκόλλων αποτελεί το συνηθέστερο και πιο καθιερωμένο πρότυπο στον χώρο των ασύρματων τοπικών δικτύων, όπως και στα VANET.Ο όρος WiFi (ψηφιακή πιστότητα στα ελληνικά) χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τις συσκευές που βασίζονται στο IEEE και εκπέμπουν σε συχνότητες των 2.4 GHz. Ωστόσο το WiFi έχει επικρατήσει και ως όρος αναφερόμενος συνολικά στα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN). Συνήθεις εφαρμογές του και ευρύτερα γνωστές είναι η παροχή ασύρματων δυνατοτήτων πρόσβασης στο Διαδίκτυο (Internet), τηλεφωνίας μέσω Διαδικτύου (VoIP) και διασυνδέσεις μεταξύ ηλεκτρονικών συσκευών. Να σημειωθεί απλά ότι, στην τελευταία περίπτωση, έχει υποσκελιστεί από το πρωτόκολλο Bluetooth, τουλάχιστον για τα πολύ μικρότερης εμβέλειας ασύρματα τοπικά (προσωπικά) δίκτυα. 24

25 Με την διάδοση του WiFi κατά τις αρχές της δεκαετίας του 2000, εμφανίστηκε μία νέα μέθοδος πρόσβασης στο Internet. Μια ψηφιακή συσκευή εφοδιασμένη με κάρτα ασύρματης δικτύωσης, πχ ένας ηλεκτρονικός υπολογιστής ή ένα κινητό τηλέφωνο τελευταίας τεχνολογίας, μπορεί να συνδεθεί στο Διαδίκτυο όταν βρίσκεται εντός ακτίνας κάλυψης ενός ασύρματου δικτύου ήδη συνδεδεμένου με το Internet, το οποίο ονομάζεται σημείο πρόσβασης - AP. Μία περιοχή που καλύπτεται από ένα ή περισσότερα σημεία πρόσβασης συνδεδεμένα μεταξύ τους λέγεται Hotspot. Έτσι η τεχνολογία WiFi επέτρεψε, όπως αναφέραμε πιο πάνω, την σύνδεση δύο κινητών μονάδων μεταξύ τους ή την σύνδεση μιας κινητής μονάδας με ένα τοπικό δίκτυο και κατόπιν μέσω αυτού στο Internet, με την προϋπόθεση οι κινητές μονάδες να διαθέτουν συσκευές εφοδιασμένες με κάρτες δικτύωσης Οι βασικές μονάδες ενός δικτύου Ουσιαστικά τα πρότυπα IEEE χρησιμοποιούνται στις ασύρματες τεχνολογίες πρόσβασης, ώστε να αντικαταστήσουν ή να επεκτείνουν ένα κοινό ενσύρματο δίκτυο π.χ. Ethernet, και να επιτρέψουν στους κινούμενους χρήστες την ασύρματη μετάδοση και λήψη δεδομένων Συνοπτικά λοιπόν οι βασικές μονάδες που αποτελούν ένα δίκτυο είναι: Σταθμοί : στην περίπτωση των VANET οι σταθμοί είναι τα οχήματα που ανταλλάσσουν πληροφορίες μέσω του ασύρματου δικτύου Σημείο Πρόσβασης AP (Access Point) : που παίζει τον ρόλο της γέφυρας μεταξύ του ενσύρματου και του ασύρματου δικτύου. Έχει αυξημένες λειτουργίες στα δίκτυα VANET με υποδομή. Σύστημα Διανομής DS (Distribution System) : που ενώνει τα σημεία πρόσβασης μεταξύ τους, επιτρέποντάς τα να ανταλλάσσουν δεδομένα και που μπορεί να είναι συνδεδεμένο είτε με κάποιο Ethernet ή απευθείας με το Internet. Ασύρματο Μέσο Μετάδοσης (Wireless Medium) : εφόσον μιλάμε για ασύρματη επικοινωνία το μέσο μετάδοσης των πληροφοριών είναι ο αέρας και πιο συγκεκριμένα τα ραδιοκύματα. 2.5 Οι υπηρεσίες του προτύπου IEEE για VANET Σύμφωνα με το πρότυπο IEEE [12] κάθε ασύρματο δίκτυα που χρησιμοποιεί τις τεχνογνωσίες του πρέπει να παρέχει τις ακόλουθες βασικές υπηρεσίες που αφορούν υπηρεσίες διανομής και υπηρεσίες σταθμών-οχημάτων: Συσχέτιση: η υπηρεσία αυτή ενεργοποιείται από τα οχήματα για να συνδεθούν με κάποιο Σημείο Πρόσβασης - AP μόλις βρεθούν στην εμβέλειά του. Το ΑP εάν αποδεχτεί την αίτηση σύνδεσης πρέπει να γνωστοποιήσει στο όχημα τις δυνατότητές του, όπως τους υποστηριζόμενους ρυθμούς μετάδοσης, τις ρυθμίσεις ασφάλειας και την υποστήριξη ποιότητας υπηρεσιών. Το AP έχει την επιλογή της απόρριψης της αίτησης σύνδεσης.. 25

26 Αποσυσχέτιση: είναι το αντίστροφο της συσχέτισης και μπορεί να ενεργοποιηθεί είτε από το όχημα, είτε από το Σημείο Πρόσβασης με σκοπό την διακοπή της σύνδεσής τους, εάν κριθεί σκόπιμο. Επανασυσχέτιση: η υπηρεσία αυτή είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στα VANET καθώς με την χρήση του ένα όχημα μπορεί να μετακινηθεί από περιοχή σε περιοχή χωρίς την απώλεια σύνδεσης ή δεδομένων αφού η σύνδεση μεταφέρεται ομαλά από Σημείο Πρόσβασης σε ένα άλλο Σημείο Πρόσβασης. Διανομή: εκτελείται από τα Σημεία Πρόσβασης μόλις δεχτούν ένα πλαίσιο, με σκοπό τον καθορισμό της διαδικασίας που πρέπει να ακολουθηθεί για την δρομολόγηση των πλαισίων. Ενοποίηση: επίσης σημαντική υπηρεσία αφού έχει την εποπτεία για την σύνδεση ενός δικτύου με κάποιο άλλο δίκτυο (π.χ. Ethernet, Internet κτλ). Δηλαδή εάν ένα όχημα που διαθέτει κάρτα δικτύωσης θέλει να συνδεθεί με ένα δίκτυο άλλης μορφής τότε η υπηρεσία αυτή είναι υπεύθυνη για την μετατροπή των πλαισίων από στην μορφή που απαιτεί το δίκτυο προορισμού και το αντίστροφο Αυθεντικοποίηση Ταυτότητας: η υπηρεσία αυτή ενεργοποιείται μετά την συσχέτιση, αναλόγως τον μηχανισμό ασφάλειας που διαθέτει το AP, το οποίο μπορεί να ζητήσει από το όχημα διαπιστευτήρια πιστοποίησης ταυτότητάς του πριν του επιτραπεί η αποστολή και λήψη δεδομένων. Η πιστοποίηση των οχημάτων σε δίκτυα WiFi ορίζεται από το πρότυπο IEEE i και καλείτε ως Προστατευμένη Πρόσβαση 2 WiFi ή WPA2 (WiFi Protected Access 2) Ακύρωση Αυθεντικοποίηση Ταυτότητας: τελείται στο σημείο πρόσβασης κατά την αποχώρηση ενός οχήματος από αυτό. Είναι το αντίστροφο της Αυθεντικοποίησης Ταυτότητας Εμπιστευτικότητα ή Προστασία Απορρήτου: το απόρρητο των αποστολών δεν θα μπορούσε να λείπει σε ένα δίκτυο οχημάτων προσφέροντας κρυπτογράφηση και αποκρυπτογράφηση των πληροφοριών. Παράδοση Δεδομένων: φυσικά σε ένα δίκτυο έγκειται το θέμα της αξιοπιστίας της μετάδοσης. Η υπηρεσία αυτή τελείται κυρίως στα ανώτερα επίπεδα με σκοπό να αντιμετωπίσει τυχόν σφάλματα και σαν είναι δυνατό να τα επιδιορθώσουν. Ελέγχου ισχύος μετάδοσης: όπως έχουμε αναφέρει οι πομποί των σταθμών πρέπει να λειτουργούν σε κάποιο ανώτατο όριο ώστε να ελαχιστοποιούνται προβλήματα παρεμβολών, θορύβων κ.α.. Η υπηρεσία αυτή προσφέρει στους σταθμούς τις πληροφορίες που χρειάζονται ώστε να θέσουν τους πομπούς στην επιτρεπόμενη, κατά την περιοχή τους, ισχύ μετάδοσης. Δυναμικής Επιλογής Συχνότητας: επίσης η υπηρεσία αυτή δίνει πληροφορίες στον κινητό σταθμό να συντονιστεί σε μία καθαρή συχνότητα, αποφεύγοντας τις παρεμβολές. (Φυσικά πρέπει και η κάρτα δικτύωσης του κινητού σταθμού να προσφέρει τέτοια επιλογή). 26

27 Χρονοπρογραμματισμός Κίνησης QoS : η υπηρεσία αυτή προσφέρει προνομιακή μεταχείριση, ως προς τον χειρισμό της κυκλοφορίας, σε πληροφορίες υψηλής προτεραιότητας όπως φωνής και βίντεο, σε σχέση με την κυκλοφορία βέλτιστης προσπάθειας και παρασκηνίου. Σε συνδυασμό με μια υπηρεσία συγχρονισμού του χρονισμού των υψηλότερων επιπέδων προσφέρει στους σταθμούς την ποιότητα των υπηρεσιών (QoS). 2.6 Το φυσικό επίπεδο του Γενικά όλα τα πρωτόκολλα της σειράς IEEE έχουν κοινό υποεπίπεδο MAC και διαφέρουν στο φυσικό επίπεδο. Η γενική μορφή της στοίβας πρωτοκόλλων Εικόνα 4 To Φυσικό επίπεδο χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα: PMD (Physical Medium Dependent) και PLCP (Physical Layer Convergence Procedure). Το κάτω υπόστρωμα PMD είναι υπεύθυνο για την κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση των σημάτων. Ανιχνεύει το μέσο μέσω του μηχανισμού CS/CCA (Carrier Sense / Clear Channel Assessment) o οποίος είναι η μέθοδος φυσικής ανίχνευσης του μέσου ώστε να διαπιστωθεί εάν υπάρχει μεταφερόμενο-φέρον σήμα στο κανάλι. Υπάρχει σε όλές τις εκδόσεις του και ουσιαστικά χρησιμοποιείται για να καθορίσει την κατάσταση του μέσου. Το PMD επικοινωνεί με το υπόστρωμα PLCP, στο οποίο υποδεικνύει εάν το ασύρματο μέσο είναι απασχολημένο ή βρίσκεται σε αδράνεια. Κατά την διαδικασία CS ουσιαστικά ανιχνεύεται το προοίμιο ενός πλαισίου, γι αυτό και αυτή η διαδικασία ονομάζεται preamble detection. Οι δύο κύριες λειτουργίες χρήσης του μηχανισμού CS/CCA είναι: Carrier Sense - CS: ανίχνευση της αρχής ενός φέροντος σήματος Clear Channel Assessment - CCS: σαφής εκτίμηση καναλιού πριν την μετάδοση ενός πακέτου. 27

28 Το υπόστρωμα PLCP, είναι το ανώτερο υπόστρωμα του Φυσικού επιπέδου. Δουλειά του είναι ακριβώς αυτό που λέει, δηλαδή η διαδικασία σύγκλησης του φυσικού επιπέδου με το επίπεδο MAC. Το PLCP επικοινωνώντας με το MAC το ενημερώνει με την σειρά του την κατάσταση του φυσικού μέσου επικοινωνίας. Επίσης προετοιμάζει τα πλαίσια από το επίπεδο MAC (MPDU) για αποστολή και επιπλέον παραδίδει τα εισερχόμενα πακέτα από το ασύρματο μέσο προς το επίπεδο MAC. Εάν το μέσο είναι busy τότε εμποδίζει το MAC να επιχειρήσει να διαβιβάσει ένα πλαίσιο για μετάδοση. Όλες οι τεχνικές εξάπλωσης φάσματος χρησιμοποιούν ραδιοκύματα μικρής εμβέλειας για να μεταδώσουν σήματα είτε στην ζώνη συχνοτήτων των 2,4 GHz είτε στην ζώνη συχνοτήτων των 5 GHz, δηλαδή στις ζώνες που όπως προαναφέραμε δεν απαιτείται άδεια. Η τυπική εκπεμπόμενη ισχύς των πομπών για τα ραδιοκύματα ασύρματων LAN είναι 50 mw (50-3 Watt) αν και μπορεί να φτάσει μέχρι και την μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύ του 1Watt [13]. Επίσης όλες οι τεχνικές εξάπλωσης φάσματος του φάσματος υποστηρίζουν την προσαρμογή ρυθμού ταχύτητας (rate adaptation), δηλαδή το σήμα να μπορεί να πέσει σε χαμηλότερη ταχύτητα ανάλογα με τις τρέχουσες συνθήκες. Επιπλέον, οι προδιαγραφές ενός δικτύου VANET υπαγορεύουν στα οχήματα έναν περιορισμό στην ισχύ των σημάτων για αποφυγή των παρεμβολών. Γι αυτόν τον λόγο σε όλα τα πρότυπα υπάρχουν συγκεκριμένα όρια του ισχύς του σήματος τα οποία χρησιμοποιούνται για την εκτέλεση του μηχανισμού CCA. Παρόλο αυτά όμως, όπως θα αναλύσουμε στα επόμενα κεφάλαια, αναπτύχθηκαν νέες τεχνολογίες οι οποίες επιτρέπουν την ανίχνευση φέροντος σήματος, μέσω του μηχανισμού CS/CCA, ακόμη και αν το προοίμιο (preamble) ενός πλαισίου έχει χαθεί για κάποιο λόγο ή ακόμη και την ανίχνευση ραδιοσημάτων τα οποία δεν προέρχονται από πρωτόκολλα και ανήκουν σε άλλες πηγές, (ορισμός): Οι μέθοδοι διασποράς φάσματος (Spread Spectrum) αποτελούν τρόπους με τους οποίους η ενέργεια ενός σήματος που καταλαμβάνει κάποιο σχετικά περιορισμένο φάσμα συχνοτήτων, κατανέμεται εσκεμμένα σε πολύ μεγαλύτερο φασματικό εύρος με σκοπό την αύξηση της ασφάλειας των τηλεπικοινωνιών, την αποφυγή υποκλοπών και την μεγαλύτερη αντοχή στα παράσιτα τις παρεμβολές και την εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών.[14] 28

29 2.6.1 Spread Spectrum FHSS - Frequency Hopping Spread Spectrum (διασπορά φάσματος με εναλλαγή συχνοτήτων) Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε υποζώνες συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες έχει εύρος ανάλογο μίας εκπομπής στενής ζώνης, και ο κώδικας διασποράς ουσιαστικά καθορίζει σε ποια υποζώνη θα μεταπηδά η επικοινωνία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα με τον ίδιο τρόπο (ο οποίος καθορίζεται από τον κώδικα) και στις ίδιες χρονικές στιγμές. Ως αποτέλεσμα κάποιος τρίτος που δε γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να υποκλέψει πληροφορία ή να παρεμβληθεί στη μετάδοση παρά ελάχιστα, αφού δε θα γνωρίζει πότε να συντονιστεί σε άλλη συχνότητα και σε ποια. Η τεχνική αυτή είναι δημοφιλής στις στρατιωτικές επιχειρήσεις αφού οι μεταδόσεις αυτές είναι δύσκολές στην ανίχνευση και είναι σχεδόν αδύνατο να παρεμποδιστούν με παρεμβολές παρασίτων. Επίσης αντιμετωπίζει σε μεγάλο βαθμό την εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών και τις παρεμβολές στενής ζώνης,. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται σε εμπορικές εφαρμογές, όπως για παράδειγμα στο Bluetooth και στις πρώτες εκδόσεις του προτύπου Spread Spectrum DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum (διασπορά φάσματος με άμεση ακολουθία) Στην δεύτερη τεχνική εξάπλωσης φάσματος (DSSS), το σήμα δεδομένων που πρόκειται να μεταδοθεί, εξαπλώνεται σε μια ευρύτερη ζώνη συχνοτήτων. Το πλεονέκτημα είναι και εδώ η αυξημένη ασφάλεια, αφού ο κώδικας διασποράς κρυπτογραφεί κατά κάποιον τρόπο τα εκπεμπόμενα δεδομένα.. Χρησιμοποιείται ευρέως εμπορικά ως μία αποδοτική φασματική μέθοδος που επιτρέπει σε πολλά σήματα να μοιράζονται την ίδια ζώνη συχνοτήτων. Παραδείγματα εμπορικών χρήσεων είναι τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας 3G όπως και το GPS (Global Position System Παγκόσμιο Σύστημα Εντοπισμού Θέσης) Spread Spectrum OFDM - Orthogonal Frequency Division Multiplexing. (Ορθογωνική πολύπλεξη με διαίρεσης συχνότητας) Χρησιμοποιώντας την μέθοδο ψηφιακής διαμόρφωσης σήματος OFDM που είναι μια μέθοδος που κωδικοποιεί ψηφιακά δεδομένα σε πολλαπλές φέρουσες συχνότητες, δηλαδή διαιρεί μια ευρεία ζώνη φάσματος σε πολλά στενά κομμάτια στα οποία μπορούν να σταλούν παράλληλα τα δεδομένα (bits) και το κύριο πλεονέκτημα του είναι η ικανότητά του να αντιμετωπίζει καλύτερα τα προβλήματα που παρουσιάζονται στα κανάλια (παρεμβολές, εξασθένιση, θόρυβος κτλ.). Δύο πρότυπα υψηλής ταχύτητας ακολούθησαν το b. Αυτά είναι το a και το g.Τα πρότυπα αυτά a/g με την χρήση του OFDM ώθησαν τον ρυθμό μετάδοσης μέχρι 54Mbps: το a εκπέμπει στην ζώνη συχνοτήτων των 5,725-5,825GHz αλλά δεν είναι συμβατό με τις ασύρματες κάρτες δικτύου που υποστηρίζουν το b, ενώ το g πρότυπο εκπέμπει στην ζώνη συχνοτήτων των 2.4-2,5GHz και είναι συμβατό με το b. Η επικοινωνία μεταξύ συσκευών εξοπλισμένων με κάρτες b η μία και g η άλλη, γίνεται στην υψηλότερη δυνατή κοινή ταχύτητα, αυτήν δηλαδή του b, περίπου στα 11Mbps 29

30 H μέθοδος OFDM χρησιμοποιεί συνολικά 64 υποφέρουσες σε ένα κανάλι, εκ των οποίων οι εκ των οποίων οι 48 προορίζονται για τα δεδομένα, οι 4 ως pilot subcarriers συν 11 ως guard (φρουρά) και μία κεντρική ανά κανάλι. Η απόσταση μεταξύ των subcarriers είναι 312.5KHz για κανάλι εύρους 20MHz και KHz για κανάλι εύρους 10MHz. Γραφική αναπαράσταση καναλιού με διαμόρφωση OFDM Εικόνα 5 Data subcarriers (48): σε αυτές τις υποφέρουσες μεταδίδονται τα δεδομένα Pilot subcarriers (4): χρησιμοποιούνται για να αποφεύγεται η διασυμβολική παρεμβολή- ISI (Inter Symbol Interference) Guard subcarriers (11): χρησιμοποιούνται ως απαιτούμενη απόσταση προστασίας μεταξύ γειτονικών καναλιών DC Subcarrier (1): το DS συμβολίζει το Direct Current και είναι μία σημαντική υποφέρουσα κατά την οποία δεν μεταφέρονται πληροφορίες. Στα συστήματα OFDM χρησιμοποιείται από τις συσκευές για να εντοπίσουν το κέντρο της ζώνης συχνοτήτων του καναλιού. Επιπλέον το OFDM παρέχει την δυνατότητα η ταχύτητα να πέσει σε χαμηλότερα επίπεδα όταν απαιτείται. Αυτό σημαίνει ότι η διαμόρφωση του σήματος και το σχήμα κωδικοποίησης μπορούν να προσαρμόζονται σύμφωνα με τις συνθήκες μετάδοσης και να αλλάζουν για κάθε χρήστη ξεχωριστά. Για να το πετύχει χρησιμοποιεί 4 διαφορετικές ψηφιακές διαμορφώσεις του σήματος : Δυαδική διαμόρφωση με μετατόπιση φάσματος ή BPSK (Binary Phase-Shift Keying): είναι το ψηφιακό σχήμα διαμόρφωσης που μεταλλάσσει τα δεδομένα αλλάζοντας την φάση του φέροντος σήματος. Συγκεκριμένα στην BPSK ή αλλιώς 2- QAM χρησιμοποιούνται δύο φάσεις που διαφέρουν μεταξύ τους κατά 180 ο, έτσι επιτυγχάνεται να αποστέλλεται ένα bit ανά σύμβολο BPSK Εικόνα 6 30

31 QPSK Τετραφωνική διαμόρφωση με μετατόπιση με μετατόπιση φάσματος ή QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying): είναι το ψηφιακό σχήμα διαμόρφωσης που μεταλλάσσει τα δεδομένα αλλάζοντας την φάση του φέροντος σήματος. Συγκεκριμένα στην QPSK ή αλλιώς 4-QAM χρησιμοποιούνται τέσσερις φάσεις που διαφέρουν μεταξύ τους κατά 90 ο, έτσι επιτυγχάνεται να αποστέλλονται δύο bits ανά σύμβολο. Εικόνα 7 16-QAM Τετραγωνική διαμόρφωση πλάτους 16 σημείων ή 16-QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation): είναι το ψηφιακό σχήμα διαμόρφωσης κατά πλάτος με διαφορά φάσεως 90 o όπου χρησιμοποιούνται 4 διαφορετικές φάσεις και 4 διαφορετικές τιμές πλάτους ώστε να παράγονται 16 διαφορετικά σύμβολα και επιτυγχάνει να αποστέλλονται τέσσερα bits ανά σύμβολο (2 4 =16 ) Εικόνα 8 64-QAM Τετραγωνική διαμόρφωση πλάτους 64 σημείων ή 64-QAM (64 Quadrature Amplitude Modulation): είναι το ψηφιακό σχήμα διαμόρφωσης κατά πλάτος με διαφορά φάσεως 90 o όπου χρησιμοποιούνται 8 διαφορετικές φάσεις και 8 διαφορετικές τιμές πλάτους ώστε να παράγονται 64 διαφορετικά σύμβολα και επιτυγχάνει να αποστέλλονται έξι bits ανά σύμβολο (2 6 =64 ) Εικόνα 9 31

32 2.6.4 Είδη πλαισίων και οι μορφές τους Ο βασικός στόχος του WAVE είναι η σωστή λειτουργία των συσκευών που χρησιμοποιούν τις τεχνολογίες IEEE Std TM προσαρμόζοντας τα κατάλληλα στις συνθήκες των VANET, με τις συνεχώς μεταβαλλόμενες τοπολογίες τους και τις ανάγκες για ταχείς και σύντομης διάρκειας ανταλλαγής πληροφοριών. Τα πλαίσια πρέπει να είναι πολύ μικρά ώστε να επιτυγχάνεται η γρήγορη επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων, αλλά πρέπει και να παρέχουν όλα εκείνα τα στοιχεία που εξασφαλίζουν την αξιοπιστία και την ποιότητα των υπηρεσιών τους. Υπάρχουν τρεις τύποι πλαισίων που ορίζονται από πρότυπο : πλαίσια δεδομένων (Data frames): τα πλαίσια αυτά μεταφέρουν την κύρια πληροφορία μεταξύ των κόμβων. πλαίσια ελέγχου (Control frames): είναι όλα τα πλαίσια που παρέχουν οι μηχανισμοί των προτύπων και εξασφαλίζουν την έγκυρη αποστολή και λήψη των πλαισίων δεδομένων πλαίσια διαχείρισης (Management frames): τα πλαίσια αυτά διασφαλίζουν την έγκυρη επικοινωνία μεταξύ των σταθμών και των APsΟ παρακάτω πίνακας παρουσιάζει όλους τους τύπους των μηνυμάτων που ομαδοποιούνται σε αυτές τις τρεις κατηγορίες: Τα μηνύματα Διαχείρισης, Ελέγχου και Δεδομένων Εικόνα 10 32

33 Παρακάτω θα εξετάσουμε πιο αναλυτικά την μορφή του a μιας και σε αυτό βασίζεται το πρότυπο p Μορφή πλαισίου a Εικόνα 11 PLCP Preamble: ή αλλιώς Training, αποτελείται από 12 σύμβολα και επιτρέπει στον δέκτη να συγχρονιστεί σωστά με το εισερχόμενο σήμα πριν φτάσει το πραγματικό περιεχόμενο του πλαισίου. PLCP Header: παρέχει όλες εκείνες τις πληροφορίες που κατευθύνουν το υποεπίπεδο PMD (Physical Medium Dependent) το οποίο είναι υπεύθυνο για τη πραγματοποίηση της διαδικασίας εκπομπής / λήψης. Περιέχει τα εξής πεδία Rate: αυτό το πεδίο προσδιορίζει τον ρυθμό δεδομένων του πλαισίου Ρυθμός Δεδομένων Τιμή Πεδίου 6 Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps Mbps 0011 Πίνακας 2 Reserved: έχει ρυθμιστεί να έχει πάντα 0 Length: προσδιορίζει το μήκος του πλαισίου (number of symbol) Parity: συμπληρωματικό πεδίο, παρέχει ισοτιμία στα πρώτα 3 πεδία Tail: οριοθετεί το πεδίο Signal με σειρά από 6bit ρυθμισμένα στο 0 MAC PDU Service: προορίζεται για μελλοντική χρήση (όλα σε λογικό 0 ) 33

34 PSDU: το πεδίο αυτό (Physical layer Service Data Unit) περιέχει το πραγματικό πλαίσιο του PPDU και χωρίζεται στα εξής πεδία: MAC header: Όλοι οι τύποι πλαισίων περιέχουν μια επικεφαλίδα (header) που χρησιμοποιείται στο υποεπίπεδο MAC του επιπέδου ζεύξης δεδομένων Frame Control: το πεδίο αυτό περιέχει πληροφορίες σχετικές με το είδος του πλαισίου και για το είδος της πληροφορίας που ανήκει το πλαίσιο και χωρίζεται τα παρακάτω υποπεδία: Έκδοση πρωτοκόλλου : περιέχει την έκδοση του πρωτοκόλλου Τύπος : (ελέγχου, δεδομένα, διαχείριση) Υποτύπος : περιέχει τον υποτύπο του μηνύματος Προς σύστημα διανομής : δείχνει αν πρόκειται να σταλεί εκτός BSS Από σύστημα διανομής : δείχνει αν πρόκειται να σταλεί εντός BSS Περισσότερα τεμάχια : δείχνει αν έπονται και άλλα θραύσματα της ίδιας πληροφορίας Επαναεκπομπή : δείχνει εάν πρόκειται για πλαίσιο επανεκπομπής Διαχείριση ισχύος : δείχνει εάν το STA βρίσκεται σε λειτουργία εξοικονόμησης ενέργειας Περισσότερα Δεδομένα : δείχνει εάν ο STA έχει περισσότερα πλαίσια για αποστολή Wired Equivalent Privacy : δείχνει εάν το πλαίσιο υπόκειται σε κρυπτογράφηση και έλεγχο ταυτότητας Σειράς : δείχνει με ποια σειρά πρέπει να ληφθεί το πλαίσιο Duration: χρησιμοποιείται για να δείξει την υπολειπόμενη διάρκεια που απαιτείται για την ολοκλήρωση την συνομιλίας (μέχρι την λήψη του Ack) Address Fields = τα πεδία διευθύνσεων περιέχουν τις διευθύνσεις MAC ενός σταθμού η οποία προσδιορίζει μοναδικά κάθε σταθμό. Addr1: διεύθυνση MAC τελικού προορισμού - DA (Destination Address) Addr2: διεύθυνση MAC αρχικής πηγής - SA (Source Address) Addr3: διεύθυνση MAC επόμενου παραλήπτη - RA (Receiver Address) Addr4: διεύθυνση MAC του αποστολέα - TA (Transmitter Address) Sequence Control: το πεδίο (Ακολουθία Ελέγχου) περιέχει 2 υποπεδία: Sequence Number (12bits): εάν το πλαίσιο ανήκει σε μία ακολουθία πλαισίων περιέχει τον αύξων αριθμό του πλαισίου Fragment Number (4bits): εάν το πλαίσιο ανήκει σε ένα κατακερματισμένο πλαίσιο περιέχει τον αύξων αριθμό του κατακερματισμένου πλαισίου Payload: σε αυτό το πεδίο καταχωρείται το ωφέλιμο φορτίο (εάν υπάρχει) του πλαισίου. Το μέγιστο μέγεθος μπορεί να είναι μέχρι 2312 bytes. Όταν πρόκειται για πλαίσιο δεδομένων μπορεί να περιέχει ολόκληρη την πληροφορία ή εάν έχει τεμαχιστεί περιέχει το τμήμα της πληροφορίας. CRC: το πεδίο αυτό χρησιμοποιείται για επαλήθευση σωστής λήψης του πλαισίου. Περιέχει μια τιμή, που προκύπτει από τον κώδικα Cyclic Redundancy Code, η οποία αναφέρεται στα πεδία MAC Header και Payload. Ο δέκτης κάνοντας την αντίστροφη διαδικασία του κώδικα CRC μπορεί να επαληθεύσει αυτήν την τιμή και έτσι να καταλάβει εάν έχει σταλεί σωστά ή εάν δεν ταιριάζουν οι αριθμοί να καταλάβει ότι έγινε κάποιο λάθος κατά την διαδικασία μετάδοσης του πλαισίου. Tail: οριοθετεί το τέλος του πεδίου δεδομένων Pad bits: το πεδίο αυτό ουσιαστικά συμπληρώνει το συνολικό μήκους του πλαισίου ώστε αυτό να ισούται με ένα πολλαπλάσιο συμβόλων OFDM. 34

35 2.6.5 Χρονοθυρίδες Slots Times Οι χρονοθυρίδες είναι βασικό στοιχείο σε όλες τις ασύρματες επικοινωνίες. Όλες οι τεχνικές ελέγχου πρόσβασης (FHSS, DSSS, OFDM) που χρησιμοποιούν τα πρότυπα είναι τεχνικές slotted time model. Αυτό σημαίνει ότι ο χρόνος έναρξης μετάδοσης κάποιου πακέτου είναι συγκεκριμένος και όχι τυχαίος όπως γίνεται στις continuous time model τεχνικές [15]. Ο χρόνος λοιπόν σε αυτές τις τεχνικές υποδιαιρείται σε διακεκριμένα χρονικά διαστήματα που ονομάζονται χρονοθυρίδες (times slots) και η έναρξη της μετάδοσης του πακέτου μπορεί να γίνει μόνο στην έναρξη κάποιας από αυτές. Στην περίπτωση που η χρονοθυρίδα δεν περιλαμβάνει κανένα πακέτο, το κανάλι βρίσκεται σε αδράνεια (idle channel) γιατί σε εκείνη τη χρονική στιγμή, κανένας σταθμός δεν στέλνει δεδομένα. Εάν η χρονοθυρίδα περιλαμβάνει ακριβώς ένα πακέτο, αυτό σημαίνει πως κάποιος από τους σταθμούς του δικτύου έχει δεσμεύσει το κανάλι και έχει μεταδώσει με επιτυχία, το δικό του πακέτο δεδομένων. Τέλος εάν η χρονοθυρίδα περιλαμβάνει περισσότερα πακέτα, αυτό σημαίνει πως έχει λάβει χώρα μια σύγκρουση (collision) πακέτων, και ως εκ τούτου, δύο σταθμοί του δικτύου έχουν μεταδώσει ταυτόχρονα. Έχει αποδειχθεί πως η χρήση του μοντέλου διακριτού χρόνου (slotted time model) βελτιώνει κατά πολύ την απόδοση του καναλιού, μειώνοντας δραστικά τον αριθμό των συγκρούσεων. H χρήση χρονοθυρίδων, οδηγεί σε διπλασιασμό του ρυθμού διέλευσης (throughput), και ως εκ τούτου, σε σημαντική αύξηση της απόδοσης του καναλιού. H τεχνική ελέγχού πρόσβασης FHSS χρησιμοποιήθηκε μόνο από το αρχικό πρότυπο και διαιρεί τον χρόνο σε Slot Time = 50μs. H τεχνική DSSS υποδιαιρεί τον χρόνο σε Slot Time = 20 μs και τέλος η μέθοδος ψηφιακής διαμόρφωσης OFDM κατέβασε τον χρόνο της χρονοθυρίδας στα 9 μs ή αλλιώς δευτερόλεπτα! FHSS(ST) = 50μs DSSS(ST)=20μs OFDM(ST)=9μs Τα Slot-Time σε κάθε πρότυπο σε Εύρος Ζώνης 20MHz Standard FHSS DSSS OFDM IEEE μs 20 μs IEEE b 20 μs IEEE g 20 μs 9 μs IEEE a 9 μs IEEE n 20 μs 9 μs IEEE ac 9 μs Πίνακας 3 (σημείωση) Οι τιμές αυτές ισχύουν όταν χρησιμοποιείται όλο το εύρος ζώνης. Για παράδειγμα όταν το a λειτουργήσει σε εύρος ζώνης 5MHz το Slot Time τίθεται στα 21μs ενώ σε εύρος ζώνης 10MHz είναι slot time = 13μs. 35

36 2.7 Τα υποεπίπεδα MAC και LLC του Η βασική διαδικασία του πρωτοκόλλου MAC του ονομάζεται Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού - DCF (Distributed Coordination Function), η οποία βασίζεται στην μέθοδο Ανίχνευσης Φέροντος Πολλαπλής Πρόσβασης με Αποφυγή Σύγκρουσης CSMA/CA ή, ενώ πάνω από το DCF τρέχει επιπλέον το η κατάσταση λειτουργίας που ονομάζεται Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού ή PCF (Point Coordination Function), η οποία αξιοποιώντας το Access Point προσφέρει στα τερματικά όταν χρειάζεται πρόσβαση στο κοινό μέσο χωρίς ανταγωνισμό ή συγκρούσεις. Το υποεπίπεδο MAC γενικά είναι υπεύθυνο για την Πρόσβαση στο μέσο όπως και για τον τεμαχισμό και την κρυπτογράφηση των δεδομένων. Ας δούμε πρώτα πώς λειτουργεί η Πολλαπλή Πρόσβαση Ανίχνευσης Φέροντος Σήματος με Ανίχνευση Συγκρούσεων (CSMA/CD), που είναι ο κύριος μηχανισμός που χρησιμοποιείται στο Ethernet για τον έλεγχο πρόσβασης στο μέσο (Media Access Control MAC) Το πρωτόκολλο CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Ο κάθε σταθμός εδώ πρέπει να «αφουγκραστεί» μια περίοδο ησυχίας πριν μεταδώσει δεδομένα (Carries Sense). Μόλις εμφανιστεί ένα κενό διάστημα ο κάθε σταθμός έχει ίσες πιθανότητες να διεκδικήσει το κανάλι. Εάν δύο σταθμοί μεταδώσουν την ίδια στιγμή, ανιχνεύουν την σύγκρουση και σταματούν να μεταδίδουν (Collection Detection).Έτσι λοιπόν κάθε διεπαφή πρέπει να περιμένει έως ότου δεν υπάρχει κανένα σήμα στο κανάλι και μετά να προσπαθήσει να μεταδώσει. Εάν κάποια άλλη διεπαφή διαβιβάζει, τότε στο κανάλι υπάρχει ένα σήμα που καλείται μεταφορέας (carrier). Όλες οι υπόλοιπες διεπαφές πρέπει να περιμένουν ώσπου παύσει ο μεταφορέας πριν προσπαθήσουν να μεταδώσουν. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται Carrier Sensing. Όλοι οι κόμβοι έχουν ίσες πιθανότητες να καταλάβουν το κανάλι, έτσι επιτυγχάνεται η πολλαπλή πρόσβαση (Multiple Access). Δεδομένου όμως ότι τα σήματα ενός διαβιβασμένου πλαισίου δεν φτάνουν ταυτόχρονα σε όλους τους κόμβους, δύο διεπαφές μπορεί να αφουγκραστούν ότι το δίκτυο δεν είναι απασχολημένο και να ξεκινήσουν την αποστολή με αποτέλεσμα να συγκρουστούν. Το πρωτόκολλο λοιπόν έχει τον τρόπο να αισθανθεί αυτήν την σύγκρουση με τον μηχανισμό Ανίχνευσης Σύγκρουσης (Collection Detection) και να σταματήσει την μετάδοση, αντί να περιμένει να τελειώσει ολόκληρη η αποστολή αφού έτσι κι αλλιώς το σήμα έχει ήδη παραμορφωθεί ανεπανόρθωτα. Στην συνέχεια περιμένει ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθεί. Στις περιπτώσεις συγκρούσεων οι διεπαφές υπαναχωρούν για κάποιο αριθμό microseconds με βάση τον αλγόριθμο Δυαδικής Εκθετική Υποχώρησης και έπειτα προσπαθεί εκ νέου. Η στρατηγική αυτή εξοικονομεί χρόνο και εύρος ζώνης. 36

37 2.7.2 Το πρόβλημα του κρυφού και εκτεθειμένου τερματικού Για να καταλάβουμε το πρωτόκολλο του υποεπιπέδου MAC του πρέπει κατ αρχήν να έχουμε υπόψη μας δύο βασικούς παράγοντες που είναι έμφυτοι στις ασύρματες επικοινωνίες: Πρώτον πρέπει να ξέρουμε ότι οι επικοινωνίες με ραδιοκύματα είναι σχεδόν πάντα ημιαμφίδρομες, δηλαδή δεν έχουν την δυνατότητα να διαβιβάζουν και να διαβάζουν το κανάλι για ριπές θορύβου ταυτόχρονα. δεύτερον ότι οι εμβέλειες μετάδοσης των σταθμών μπορεί να διαφέρουν κατά πολύ με αποτέλεσμα να υπάρχει η πιθανότητα να προκύψουν καταστάσεις όπως το πρόβλημα του κρυφού τερματικού ή το αντίστοιχο πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού. Το πρόβλημα του κρυμμένου τερματικού (εικόνα 12a) έγκειται στο ότι αν ένα τερματικό Γ εκπέμπει σε ένα τερματικό Β, ένα άλλο τερματικό Α που θέλει να αποστείλει δεδομένα στο Β αλλά είναι εκτός εμβέλειας του Γ δε θα ανιχνεύσει ότι το κανάλι είναι απασχολημένο και θα εκπέμψει. Το πρόβλημα του εκτεθειμένου τερματικού (εικόνα 12b) αφορά το ότι ένα τερματικό Α μπορεί να μη μεταδώσει πλαίσιο σε ένα άλλο τερματικό Β, νομίζοντας ότι το κανάλι είναι κατειλημμένο γιατί ανιχνεύει εκπομπή από ένα τερματικό Γ προς ένα τερματικό Δ. Τα Γ και Δ όμως είναι εκτός εμβέλειας του Β άρα στην πραγματικότητα δεν επρόκειτο να γίνει σύγκρουση Τα προβλήματα του Κρυφού και Εκτεθειμένου τερματικού Εικόνα 12 37

38 2.7.3 Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού (DCF) με CSMA/CA Ο βασικός στόχος των VANET είναι η επικοινωνία μεταξύ οχήματος προς όχημα (V2V) και για να το πετύχει αυτό, το πρότυπο βασίζεται στην Κατανεμημένη Λειτουργία Συντονισμού (DCF) που είναι χτισμένη πάνω στο πρωτόκολλο CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), δηλαδή την Πολλαπλή Πρόσβαση Ανίχνευσης Φέροντος Σήματος με Αποφυγή Συγκρούσεων. Η πολλαπλή πρόσβαση των οχημάτων σε ασύρματα δίκτυα απαιτεί μία μέθοδο που θα υπαγορεύει όλες εκείνες τις λειτουργίες που θα προσφέρουν ομαλή λειτουργία του δικτύου, όπως να καθορίζει την σειρά με την οποία θα μεταδίδει το κάθε όχημα, πώς να αποφεύγονται οι συγκρούσεις ή πώς να ανιχνεύονται οι συγκρούσεις και πώς να ενεργούν τα οχήματα σε περιπτώσεις συγκρούσεων ή άλλων σφαλμάτων, όπως οι παρεμβολές. Το πρωτόκολλο CSMA/CA καλύπτει αυτές τις ανάγκες. Το DCF λοιπόν είναι η θεμελιώδης τεχνική ελέγχου πρόσβασης στο μέσο (MAC) του για ασύρματα τοπικά δίκτυα. Οι βασικές αρχές του CSMA/CA είναι οι εξής: Carries Sense: ανίχνευση του καναλιού για φέρον σήμα, είτε με φυσική ανίχνευση του μέσου - Clear Channel Assessment (CCA) είτε με εικονική ανίχνευση με χρήση του μηχανισμού Network Allocation Vector (NAV) για να καταλάβει εάν το κανάλι είναι αδρανές Multiple Access: όλοι οι σταθμοί έχουν ίσες πιθανότητες να μεταδώσουν δεδομένα και πλαίσια όταν το μέσο είναι αδρανές. Collision Avoidance: οι ασύρματοι δέκτες δεν έχουν την δυνατότητα να ανιχνεύσουν εάν έχει συμβεί σύγκρουση, όπως γίνεται για παράδειγμα στα ενσύρματα δίκτυα Ethernet με την χρήση του CSMA/CD. Για να το πετύχει αυτό το πρωτόκολλο CSMA/CA παρέχει τους παρακάτω μηχανισμούς: τον μηχανισμό Τυχαίας Οπισθοχώρησης τον μηχανισμό RTS/CTS/Ack τον αλγόριθμο Δυαδική Εκθετική Οπισθοχώρηση το παράθυρο ανταγωνισμού CW Τα βασικά βήματα της διαδικασίας αποστολής πλαισίου στο DCF Η βασική ιδέα πίσω από το πρωτόκολλο αυτό είναι: 1) η ανίχνευση του καναλιού πριν την αποστολή δεδομένων, 2) η περίοδος DIFS μεταξύ των πλαισίων που μεταδίδονται, 3) τυχαία οπισθοχώρηση ακόμη και αν το κανάλι είναι ελεύθερο 4) με δυαδική εκθετική οπισθοχώρηση μετά από περιπτώσεις συγκρούσεων. Στην περίπτωση που ένας σταθμός έχει ένα πλαίσιο προς αποστολή, κατά την λειτουργία DCF είναι αναγκασμένος να αφουγκραστεί το κανάλι για μία συγκεκριμένη χρονική περίοδο που ονομάζεται DIFS, δηλαδή DCF Inter Frame space (Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων DCF). Εάν κατά το διάστημα αυτό ο σταθμός ανιχνεύσει κίνηση τότε αναβάλει την μετάδοσή του. 38

39 Στην περίπτωση που ο σταθμός ανιχνεύσει ότι το κανάλι είναι ελεύθερο καθ όλη την διάρκεια που ορίζει το DIFS, τότε ο σταθμός ξεκινά εξαρχής με έναν τυχαίο μετρητή οπισθοχώρησης που ονομάζεται Random Backoff Interval. Η τιμή της τυχαίας υποχώρησης υπολογίζεται σε slot times και παίρνει τιμές μεταξύ του 0 και του ελάχιστου παράθυρου ανταγωνισμού ή CWmin (Contention Window) Δηλαδή Backoff Time=random(0-CWmin)xaSlotTime. O σταθμός ελέγχει το κανάλι σε κάθε χρονοθυρίδα και αν είναι αδρανές για μειώνει τον μετρητή υποχώρησης κατά ένα. Εάν υπάρχει κίνηση πλαισίου ο μετρητής σταματά. Μόλις ο μετρητής αυτός φτάσει στο 0 στέλνει το πλαίσιο του. Επιτρέπεται να μεταδώσει ένα πλαίσιο κάθε φορά. Εάν η αποστολή ήταν επιτυχής ο προορισμός επιστρέφει αμέσως μία επιβεβαίωση- Ack (Acknowledgment). Η απουσία επιβεβαίωσης υποδηλώνει την αποτυχία αποστολής. Σε αυτήν την περίπτωση ο αποστολέας διπλασιάζει τον μετρητή CW και ξαναδοκιμάζει συνεχίζοντας όπως με τον μηχανισμό δυαδικής εκθετικής οπισθοχώρησης μέχρι να μεταδοθεί με επιτυχία το πλαίσιο ή μέχρι να φτάσει κάποιο μέγιστο πλήθος αναμεταδόσεων δηλαδή CW CWmax Ο παρακάνω πίνακας παρουσιάζει τις ελάχιστες και τις μέγιστες τιμές του παράθυρου ανταγωνισμού. Είναι οι standard τιμές των προτύπων αλλά διαφοροποιούνται όταν οι κάρτες δικτύωσης του δικτύου υποστηρίζουν και το σύνολο των επεκτάσεων του IEEE e. Πίνακας προκαθορισμένων CWmin και CWmax Standard acwmin acwmax IEEE IEEE b IEEE g 15 ή IEEE a IEEE n Πίνακας 4 Να σημειώσουμε πως οι τιμές αυτές (CWmin και CWmax) ισχύουν για όλες τις μορφές των μεταδόσεων, δηλαδή για όλα τα είδη των πλαισίων είτε πρόκειται για απλό μήνυμα είτε για μετάδοση φωνής ή βίντεο. Αυτό το γεγονός μπορεί να δημιουργήσει αρκετά προβλήματα, όπως σημαντικές αδράνειες όταν για παράδειγμα επρόκειτο να μεταδοθεί μία πληροφορία που είναι ευαίσθητη σε καθυστερήσεις. Όλο αυτό φυσικά οδηγεί σε πλήγμα όσον αφορά την αξιοπιστία του δικτύου και κατά συνέπεια στην Ποιότητα των Υπηρεσιών του. Στο κεφάλαιο 3 θα εξετάσουμε αναλυτικά τις λύσεις που δόθηκαν σε αυτά τα προβλήματα με την χρήση των επεκτάσεων του IEEE e. Ακόμη και χωρίς το e όμως (non-qos) η λειτουργία DCF με CSMA/CA δουλεύει αρκετά καλά στη πράξη διότι η πρόωρη έναρξη των τυχαίων υποχωρήσεων βοηθά στην αποφυγή των συγκρούσεων ακόμη και όταν ένας κόμβος δεν έχει την εμβέλεια να μπορεί να ελέγξει όλες τις μεταδόσεις. 39

40 2.7.4 Μηχανισμός Δυαδικής Εκθετικής Οπισθοχώρησης Το χρονικό διάστημα που περιμένουν οι σταθμοί που έχουν πλαίσιο προς μετάδοση μετά από κάθε σύγκρουση καθορίζεται από τον Μηχανισμό Δυαδικής Εκθετικής Οπισθοχώρησης. Ο γενικός κανόνας που ακολουθεί ο αλγόριθμος αυτός είναι: «Αφού συμβεί μία σύγκρουση κάθε σταθμός περιμένει για χρόνο ίσο με 0 ή 1 χρονοθυρίδα (Slot Time) και ξαναδοκιμάζει, Μετά από j συγκρούσεις (όπου j είναι το πλήθος των συγκρούσεων) κάθε σταθμός επιλέγει έναν τυχαίο αριθμό χρονοθυρίδων ανάμεσα στο 0 και το 2 j x(cw+1)-1. Εάν υπάρξει συνεχόμενη σύγκρουση το j αυξάνεται κατά ένα». Για την πρώτη εκπομπή ενός πακέτου το παράθυρο ανταγωνισμού λαμβάνει ίση τιμή με την ελάχιστη CWmin που ορίζει το πρότυπο, έτσι δεχόμενοι πως CWmin=15 υπολογίσουμε πως : στη 1η σύγκρουση 2 1 x(15+1)-1=31 τυχαίος αριθμός μεταξύ 0 έως 31 στη 2η σύγκρουση 2 2 x(15+1)-1=63 τυχαίος αριθμός μεταξύ 0 έως 63 στη 3η σύγκρουση 2 3 x(15+1)-1=127 τυχαίος αριθμός μεταξύ 0 έως 127 και ούτω καθεξής.. Μια γενική αποδοχή είναι να ορίζεται κάποιο ανώτατο όριο στην τιμή του j, έτσι ώστε να αποτρέπεται να γίνει το όριο πολύ μεγάλο. Συνήθως αυτό το όριο επιλέγεται να είναι μέχρι 6 συγκρούσεις. Οπότε έχουμε : στη 6η σύγκρουση 2 6 x(15+1)-1=1024 τυχαίος αριθμός μεταξύ 0 έως 1023 Εάν οι απόπειρες αποστολής φτάσουν το ανώτατο αποδεκτό όριο η εκπομπή του πακέτου θεωρείται αποτυχημένη και το πακέτο απορρίπτεται. Στην συνέχεια αναλαμβάνουν τα ανώτερα επίπεδα να διαλευκάνουν την υπόθεση. Με το πέρας της διαδικασίας, το παράθυρο ανταγωνισμού λαμβάνει την αρχική ελάχιστη τιμή που προκαθορίζεται από το πρότυπο, CW=CWmin μόνο στην περίπτωση επιτυχούς μετάδοσης του πλαισίου ή όταν το j φτάσει την μέγιστη τιμή του και το πακέτο απορριφθεί. Εικόνα 13 40

41 2.7.5 Clear Channel Assessment (CCA) και Network Allocation Vector (NAV) Το πρότυπο ορίζει δύο τρόπους ανίχνευσης καναλιού, με σκοπό την ελαχιστοποίηση πιθανότητας συγκρούσεων. Στην πρώτη περιλαμβάνει την φυσική ανίχνευση (CCA), που απλώς ελέγχει το φυσικό μέσο για να ελέγξει εάν μεταδίδεται σήμα, ενώ στην εικονική ανίχνευση το πρότυπο προσθέτει μία νέα μέθοδο με την προσθήκη ενός πεδίου σε όλες τις μορφές των πλαισίων που ονομάζεται Διάνυσμα Εκχώρησης Δικτύου ή NAV (Network Allocation Vector). Έτσι λοιπόν το πρότυπο ορίζει πως σε κάθε πλαίσιο προστίθεται ένα επιπλέον πεδίο, το NAV το οποίο προσδιορίζει τον χρόνο που θα χρειαστεί ώστε να ολοκληρωθεί η εν λόγο συνομιλία μέχρι το πέρας της επιβεβαίωσης. Όλοι οι υπόλοιποι σταθμοί που ακούν κάποιο πλαίσιο δεδομένων αναστέλλουν την μετάδοση τους στον χρόνο που ορίζει το NAV ανεξαρτήτως της φυσικής ανίχνευσης του μέσου. Φυσική και εικονική ανίχνευση του μέσου Εικόνα 14 Επιπλέον το πρότυπο , με στόχο την αύξηση της πιθανότητας επιτυχούς μετάδοσης ενός πλαισίου, επιτρέπει στα πλαίσια να τεμαχίζονται σε μικρότερα «θραύσματα» (fragments) το καθένα από τα οποία έχει το δικό του άθροισμα ελέγχου. Το κάθε θραύσμα στέλνεται χωριστά ή και πολλά μαζί σαν ριπή θραυσμάτων, αλλά πάντοτε χρειάζεται η επιβεβαίωση του για να σταλεί το επόμενο. Έτσι αποτρέπεται η περίπτωση να σταλεί πρώτο ένα θραύσμα με μεγαλύτερο άθροισμα ελέγχου, ή αλλιώς πως ο προορισμός θα λάβει τα πλαίσια στην σωστή σειρά. Σε συνδυασμό με τον μηχανισμό NAV επιτρέπεται στα θραύσματα να σταλούν χωρίς την πιθανότητα σύγκρουσης. 41

42 2.7.6 Μηχανισμός RTS/CTS (Request To Send / Clear To Send) Επιπλέον στο ορίζεται ακόμη ένας μηχανισμός που χρησιμοποιεί το πεδίο NAV ώστε να αντιμετωπίσει το πρόβλημα του κρυφού τερματικού. Η κεντρική ιδέα του είναι η μετάθεση των συγκρούσεων μεταξύ των πλαισίων σε μικρά πλαίσια ελέγχου (RTS, CTS) αντί για τα πλαίσια δεδομένων, ώστε να εξοικονομείται εύρος ζώνης. Συγκεκριμένα, ένας σταθμός Α που θέλει να εκπέμψει στο Β, αποστέλλει πρώτα ένα πλαίσιο Αίτησης Αποστολής ή RTS στον παραλήπτη ζητώντας έτσι άδεια να καταλάβει το κανάλι. Αυτό το μικρό πλαίσιο (30 byte) περιέχει το μήκος του πλαισίου δεδομένων που θα ακολουθήσει αργότερα. Αν ο παραλήπτης είναι διαθέσιμος απαντά με ένα πλαίσιο Έγκρισης Αποστολής ή CTS, το οποίο μόλις ληφθεί από τον αποστολέα τού δίνει τη δυνατότητα να αρχίσει να εκπέμπει τα δεδομένα του (ενεργοποιώντας ταυτόχρονα ένα χρονόμετρο επιβεβαίωσης) χωρίς πιθανότητα σύγκρουσης, αφού οι υπόλοιποι κόμβοι που άκουσαν το RTS ή το CTS γνωρίζουν ότι το κανάλι είναι κατειλημμένο και εισέρχονται σε κατάσταση αναμονής για κατάλληλο χρονικό διάστημα NAV (Network Allocation Vector) το οποίο υπολογίζεται από τις πληροφορίες που μεταφέρουν τα πλαίσια ελέγχου. Όταν λήξει το διάστημα αυτό οι κόμβοι που έχουν πλαίσια προς αποστολή επιχειρούν να καταλάβουν το κανάλι με την ίδια διαδικασία αλλά σε διαφορετικές χρονικές στιγμές (με χρήση του αλγορίθμου δυαδικής εκθετικής οπισθοχώρησης που χρησιμοποιείται και στο CSMA/CD), ώστε να μειωθεί η πιθανότητα σύγκρουσης. Αν, παρ όλα αυτά, δύο σταθμοί συγκρουστούν, τίθενται ξανά σε αναμονή, περιμένουν ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και ξαναπροσπαθούν. Κάθε σταθμός που ακούει το RTS βρίσκεται πιθανότατα κοντά στον Α (εικόνα10) και θα πρέπει να παραμείνει σιωπηλός για αρκετό χρόνο έτσι ώστε να επιστραφεί το πλαίσιο CTS στον Α. Από την άλλη, κάθε σταθμός που ακούει το CTS βρίσκεται πιθανότατα κοντά στον Β και θα πρέπει να παραμείνει σιωπηλός αφού γνωρίζει πως θα επακολουθήσει πλαίσιο δεδομένων. Το μήκος των δεδομένων που περιέχεται στο RTS αντιγράφεται και στο CTS έτσι λοιπόν όλοι σταθμοί που άκουσαν έστω ένα από τα δύο αυτά πλαίσια μπορούν να προσδιορίσουν το μήκος της συνομιλίας. Ο μηχανισμός RTS/CTS ανάμεσα σε δύο σταθμούς (Α, Β) Εικόνα 15 42

43 Παρά των μηχανισμό αυτό, μπορούν και πάλι να προκύψουν συγκρούσεις. Όπως για παράδειγμα οι σταθμοί Β και Γ μπορεί να στείλουν ταυτόχρονα και οι δύο πλαίσια αίτησης αποστολής RTS στον Α. Αναπόφευκτα τα πλαίσια αυτά θα συγκρουστούν και θα χαθούν. Στις περιπτώσεις αυτές οι κόμβοι που έστειλαν τα RTS δεν θα λάβουν απόκριση CTS μέσα στον αναμενόμενο χρόνο και έτσι θα καταλάβουν την αποτυχία. Τότε θα περιμένουν κάποιο τυχαίο χρονικό διάστημα οπισθοδρόμησης (Random Backoff Interval) και θα ξαναπροσπαθήσουν. Διαδικασία αποστολής πλαισίου με ή χωρίς τον μηχανισμό RTS/CTS Εικόνα Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού (PCF) Το πρότυπο ορίζει επίσης ακόμη μία διαδικασία εν ονόματι Σημειακή Λειτουργία Συντονισμού ή PCF (Point Coordination Function) που λειτουργεί πάνω από την λειτουργία DCF. Η διαδικασία αυτή δίνει τον έλεγχο όλης της δραστηριότητας στο σημείο πρόσβασης-ap, και λειτουργεί παρόμοια με την μέθοδο της σκυτάλης αφού προσφέρει σε κάθε ένα σταθμό διαδοχικά την ευκαιρία να διαβιβάσει χωρίς τον κίνδυνο σύγκρουσης. Το PCF ενεργοποιείται αυτόματα για συγκεκριμένα διαστήματα όταν το AP το κρίνει απαραίτητο ώστε, αν π.χ. πρόκειται να μεταδοθεί χρονικά κρίσιμη πληροφορία να εξασφαλιστεί ότι δε θα υπάρξουν συγκρούσεις για κάποιο διάστημα. 43

44 Ενώ η DCF λειτουργία ορίζει πώς η απόσταση μεταξύ των πλαισίων είναι τουλάχιστον DIFS, η PCF λειτουργία ορίζει πως το διάστημα που πρέπει να ανιχνεύσει το σημείο συντονισμού για να αποκτήσει πρόσβαση στο κανάλι είναι μικρότερο από του DIFS και ονομάζεται PIFS, δηλαδή PCF Inter Frame space (Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων PCF). Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζεται πως το AP ή αλλιώς «σημείο συντονισμού» έχει πάντα προτεραιότητα έναντι των υπολοίπων σταθμών για πρόσβαση στο κανάλι. Στην αρχή κάθε τέτοιας περιόδου χωρίς ανταγωνισμό το AP στέλνει σε όλους τους κόμβους πλαίσια συγχρονισμού (Beacon) και στη συνέχεια διαμοιράζει το χρόνο σε θυρίδες και αναθέτει σε κάθε σταθμό μία θυρίδα κατά την οποία μόνο αυτός μπορεί να εκπέμψει ή να λάβει δεδομένα. Τα πλαίσια από έναν κόμβο Α σε έναν κόμβο Β μπορούν είτε να μεταδοθούν από τον Α στο AP (κατά τη θυρίδα του Α) και στη συνέχεια από τον AP στον Β (κατά τη θυρίδα του Β), είτε απευθείας από τον Α στον Β κατά τη θυρίδα του Α. Η έναρξη κάθε θυρίδας σηματοδοτείται από την αποστολή ενός πλαισίου ελέγχου Poll από τον AP στον κόμβο που του ανήκει η τρέχουσα θυρίδα. Η περίοδος που ένα AP ελέγχει τον συντονισμό πρόσβασης στο μέσο ονομάζεται περίοδος χωρίς ανταγωνισμό ή CFP (Contention Free Periods), ενώ κατά τον υπόλοιπο χρόνο που η πρόσβαση ελέγχεται κανονικά από την λειτουργία DCF ονομάζεται περίοδος ανταγωνισμού ή CP (Contention Periods) Το υποεπίπεδο LLC Στον ad hoc (αδόμητο) ρυθμό λειτουργίας του IEEE , χωρίς σημείο πρόσβασης, δύο κόμβοι οι οποίοι επιθυμούν να επικοινωνήσουν πρέπει οπωσδήποτε να είναι ο ένας στην εμβέλεια του άλλου. Το ίδιο συμβαίνει και στο Bluetooth, αλλά καθώς η κινητικότητα των σταθμών συνήθως είναι πολύ μικρή δεν προκαλείται πρόβλημα από αυτόν τον περιορισμό. Το υποεπίπεδο LLC (Logical Link Control) που αναλαμβάνει τον έλεγχο ροής, τον έλεγχο σφαλμάτων και την διασύνδεση προς το επίπεδο δικτύου, ταυτίζεται με το καθιερωμένο κοινό πρωτόκολλο LLC που χρησιμοποιείται και στο Ethernet και στα περισσότερα ενσύρματα τοπικά δίκτυα, με αποτέλεσμα την άμεση και χωρίς ανάγκη μετατροπών συνδεσιμότητα ενός δικτύου με το Internet ή κάποια άλλα WAN/Διαδίκτυα που χρησιμοποιούν το IP (Internet Protocol) ως πρωτόκολλο δικτύου. 44

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το πρότυπο e Εξ αρχής ας δώσουμε έναν γενικό ορισμό το τί εννοούμε QoS - Ποιότητα Υπηρεσιών. «Είναι όλοι εκείνοι οι μέθοδοι και οι λειτουργίες ενός συστήματος που έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο ώστε να εξασφαλίζουν ότι οι υπηρεσίες που υποστηρίζει το σύστημα αποδίδονται στους καταναλωτές με την εγγύηση της αξιόπιστης λειτουργίας τους και της χαμηλής καθυστέρησης.». Το πρότυπο που επικράτησε στον αγώνα για τα δίκτυα οχημάτων είναι το p έτσι η ανάγκη για ποιότητα υπηρεσιών QoS (quality of service) οδήγησε το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών να σχεδιάσουν έναν έξυπνο μηχανισμό για την παροχή αυτού του είδους ποιότητας υπηρεσιών. Έτσι λοιπόν παρουσίασαν το πρότυπο e ως ένα σύνολο επεκτάσεων, που παρέχουν έναν μηχανισμό στο ήδη υπάρχον CSMA/CΑ με στόχο την διάκριση των πλαισίων ανάλογα με τον βαθμό προτεραιότητάς τους. Οι επεκτάσεις αυτές είναι γνωστές ως Wireless Multimedia Extensions (WME) ή αλλιώς WiFi Multimedia (WMM) αφού η WiFi Alliance [16] πιστοποίησε το πρότυπο e για τα προϊόντα που υπακούν στις προδιαγραφές του Το IEEE e MAC έχει εγκριθεί ως μέρος του προτύπου IEEE p για Ασύρματη Πρόσβαση σε Περιβάλλοντα Οχημάτων (WAVE). Το original MAC ορίζει δυο λειτουργίες συντονισμού, την DCF και την PCF με περιόδους CP και CFP αντίστοιχα και βασίζεται στο CSMA/CA και στον μηχανισμό RTS/CTS/Ack για πρόσβαση στο μέσο. Αυτό από μόνο του έχει αρκετούς περιορισμούς και κινδύνους όπως: 1 ον Κίνδυνος συμφόρησης, όταν πολλοί σταθμοί επιχειρούν να επικοινωνήσουν ταυτόχρονα, αυξάνοντας την πιθανότητα συγκρούσεων και μειώνοντας έτσι το διαθέσιμο εύρος ζώνης και 2 ον Δεν υπάρχουν εγγυήσεις για Ποιότητα των Υπηρεσιών-QoS και ειδικότερα δεν υπάρχουν οι έννοιες της υψηλής ή χαμηλής προτεραιότητας στην κίνηση. Το e ενισχύει τις λειτουργίες DCF και PCF μέσα από μια νέα λειτουργία συντονισμού: την Υβριδική Λειτουργία Συντονισμού ή HCF (Hybrid Coordination Function). Εντός της HCF ορίζονται δύο μέθοδοι πρόσβασης καναλιού, παρόμοιες με εκείνες που ορίζονται στο αρχικό MAC. Και οι δύο μέθοδοι προκαθορίζουν Κατηγορίες Κυκλοφορίας (Traffic Categories) με σκοπό των διαχωρισμό των εφαρμογών αναλόγως με τον βαθμό προτεραιότητάς τους. Η πρώτη μέθοδος ονομάζεται EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) και προορίζεται να ενισχύσει την DCF λειτουργία, ενώ η δεύτερη ονομάζεται HCCA (HCF Controlled Channel Access) και προορίζεται για να ενισχύσει την PCF λειτουργία [17]. 45

46 3.1 EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) (Ενισχυμένη Κατανεμημένη Πρόσβαση Καναλιού) Η μέθοδος αυτή ενισχύει την DCF λειτουργία με τέτοιο τρόπο ώστε οι κυκλοφορίες υψηλής προτεραιότητας να έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να μεταδοθούν από ότι οι κυκλοφορίες χαμηλής προτεραιότητας. Αυτό με απλά λόγια σημαίνει ότι ένας σταθμός που θέλει να μεταδώσει πλαίσιο υψηλής προτεραιότητας, θα πρέπει να περιμένει λιγότερο χρόνο για την μετάδοσή του σε σχέση με έναν σταθμό που θέλει να μεταδώσει πλαίσιο χαμηλής προτεραιότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με το πρωτόκολλο TCMA (Tiered Contention Multiple Access) [18] που είναι η εξέλιξη του CSMA/CA προσθέτοντας επιπλέον λειτουργικότητα. Οι κυριότερες βελτιώσεις της DCF σύμφωνά με την μέθοδο EDCA είναι οι εξής: Access Categories and Contention Window (mix/max) Το παράθυρο ανταγωνισμού CW ή αλλιώς τυχαίο διάστημα υποχώρησης (Random Backoff Interval) που είδαμε στο CSMA/CA σύμφωνα με το EDCA ρυθμίζεται ανάλογα με το είδος της πληροφορίας που αναμένεται να μεταδοθεί και διαφοροποιείται ανάλογα σε τί Φυσικό επίπεδο που εφαρμόζονται. Τα είδη των πληροφοριών που ορίζει το EDCA διακρίνονται οχτώ(8) τύπους κυκλοφορίας που ομαδοποιούνται σε τέσσερις(4) κατηγορίες πρόσβασης ή AC (Access Categories) Οι 8 κατηγορίες τύπων κυκλοφορίας που ορίζει το e Τύπος κυκλοφορίας Κωδικός Ακρώνυμο Κατηγορία Πρόσβασης (AC) Ονομασία Background 1 BK AC_BK Background Best Effort 0 BE AC_BE Best Effort Excellent Effort 2 EE AC_BE Best Effort Κρίσιμες Εφαρμογές 3 CA AC_VI Video Video 4 VI AC_VI Video Voice 5 VO AC_VO Voice Internetwork Control 6 IC AC_VO Voice Network Control 7 NC AC_VO Voice Πίνακας 5 Οι 4 κατηγορίες ACs και τα αντίστοιχα CWmin και CWmax AC - κατηγορία πρόσβασης CWmin CWmax Background (AC_BK) Παρασκηνιακή acwmin acwmax Best Effort (AC_BE) Βέλτιστης Προσπάθειας acwmin acwmax Video (AC_VI) Βίντεο (acwmin+1)/2-1 acwmin Voice (AC_VO) Φωνής (acwmin+1)/4-1 (acwmin+1)/2-1 Πίνακας 6 46

47 Προσαρμόζοντας τις τιμές που ορίζει το EDCA για το CWmin και CWmax για τις τέσσερις ACs μπορούμε να διαμορφώσουμε τις αντίστοιχες των προτύπων. Τα CWmin και CWmax για κάθε ACs στο αντίστοιχο πρότυπο AC_BK AC_BE AC_VI AC_VO b g a n IFS (Inter Frame Space) Πίνακας 7 Η μέθοδος εισάγει την έννοια του Διαστήματος Μεταξύ Πλαισίων IFS (Inter- Frame Space). Οι ακριβείς τιμές για κάθε είδους διαστήματος καθορίζονται αναλόγως το Φυσικό στρώμα που χρησιμοποιείται για την μετάδοση των δεδομένων. Τα χρονικά αυτά διαστήματα παρέχουν τον μηχανισμό εκείνο που είναι αναγκαίος για την εκχώρηση προτεραιότητας και αποτελεί ακόμη μία τεχνική εξασφάλισης της Ποιότητας των Υπηρεσιών QoS που απαιτείται στα δίκτυα οχημάτων. Τα IFS λοιπόν είναι χρονικοί περίοδοι αναγκαστικής σιγής. Μετά το τέλος κάθε μετάδοσης όλοι οι σταθμοί που θέλουν να καταλάβουν το κανάλι, περιμένουν για χρονικό διάστημα που προσδιορίζεται από τα IFS αναλόγως τον βαθμό προτεραιότητας που έχει το πλαίσιο που θέλουν να μεταδώσουν. Παρακάτω βλέπουμε όλα τα είδη των IFS που καθορίζονται από το πρότυπο e. SIFS (Short Inter-Frame Space) ή Βραχύ Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων Είναι το μικρότερης διάρκειας διάστημα και χρησιμοποιείται όταν ένας σταθμός έχει ήδη καταλάβει το μέσο, ώστε να αποδώσει την μέγιστη προτεραιότητα στα πλαίσια CTS, Ack, Data frame ή fragments frame και από τους σταθμούς όταν αποκρίνονται σε πλαίσια polling κατά την λειτουργία PCF. Έχοντας τη μικρότερη διάρκεια, εμποδίζει τους άλλους σταθμούς που θέλουν να μεταδώσουν, καθώς αυτοί πρέπει να περιμένουν για μεγαλύτερο διάστημα μέχρι να ανιχνεύσουν ότι το μέσο είναι ελεύθερο. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα στον σταθμό που ήδη μεταδίδει να ολοκληρώσει τη διαδικασία μετάδοσης των πλαισίων που έχει προς μετάδοση. Κατά μία έννοια εξασφαλίζει στον σταθμό που έχει ήδη αποκτήσει πρόσβαση στο μέσο, μια περίοδο χωρίς ανταγωνισμό, για την μετάδοση του πλαισίου του. Η τιμή του SIFS καθορίζεται στο Φυσικό Επίπεδο και υπολογίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε ο σταθμός που εκπέμπει να είναι σε θέση να επιστρέψει σε κατάσταση λήψης ή ο σταθμός που λαμβάνει να αποκωδικοποιήσει το εισερχόμενο πακέτο. Το διάστημα SIFS έχει σταθερή αξία και εξαρτάται από την έκδοση του που χρησιμοποιείται. 47

48 Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται οι τιμές του SIFS ανά πρότυπο Standard IEEE (FHSS) IEEE (DSSS) IEEE b IEEE a IEEE g IEEE n (2,4 GHz) IEEE n (5 GHz) IEEE ac SIFS (μs) 28 μs 10 μs 10 μs 16 μs 10 μs 10 μs 16 μs 16 μs Πίνακας 8 PIFS (PCF Inter-frame Space) ή Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων PCF Να θυμίσουμε πως όλα τα πρότυπα όπως έχουμε αναφέρει υποστηρίζουν και τοπολογίες δικτύου υποδομής, χρησιμοποιώντας Σημεία Πρόσβασης ή AP (Access Point) που συνδέουν το δίκτυο με την υποδομή ενός ενσύρματου δικτύου κορμού πχ Internet. Η διαδικασία που δίνει τον έλεγχο όλης της δραστηριότητας στο σημείο πρόσβασης-ap λέγεται PCF. Για να δοθεί έμφαση σε αυτήν την λειτουργία, καθορίστηκε το διάστημα PIFS ως ο χρόνος αναμονής των σημείων συντονισμού για πρόσβαση στο μέσο. Η διάρκεια του PIFS είναι μικρότερη του DIFS αλλά μεγαλύτερη του SIFS, δηλαδή DIFS>PISF>SIFS. Ως εκ τούτου το AP έχει πάντα μεγαλύτερη προτεραιότητα για πρόσβαση στο μέσο από ότι οι κινητοί σταθμοί, αλλά όντας μεγαλύτερης διάρκειας από του SIFS αποτρέπει την πρόσβαση των AP εάν υπάρχει ήδη σε εξέλιξη μια διαδικασία ανταλλαγής πληροφοριών. Το σημείο πρόσβασης καταλαμβάνοντας το φυσικό μέσο μετά από περίοδο PIFS μπορεί να εκδώσει πλαίσιο beacon ή poll. Η Διάρκεια PIFS μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη μέθοδο: PIFS = SIFS + SLOT TIME Standard Slot time (µs) PIFS (µs) IEEE (FHSS) IEEE (DSSS) IEEE b IEEE a 9 25 IEEE g 9 or or 30 IEEE n (2.4 GHz) 9 or or 30 IEEE n (5 GHz) 9 25 IEEE ac 9 25 Πίνακας 9 48

49 DIFS (DCF Inter-Frame Space) ή Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων DCF Το DIFS καλείται ως η ελάχιστη καθυστέρηση μεταξύ κανονικών πλαισίων που ανταγωνίζονται για πρόσβαση. Όλα τα πρωτόκολλα της οικογενείας IEEE περιγράφουν την λειτουργία DCF, η οποία ελέγχει την πρόσβαση στο φυσικό μέσο μετάδοσης. Όπως έχουμε προαναφέρει ένας σταθμός πρέπει να αισθανθεί την κατάσταση του μέσου πριν την μετάδοση. Εάν διαπιστώσει ότι το μέσο είναι συνεχώς σε αδράνεια για DIFS διάρκεια, τότε επιτρέπεται να μεταδώσει ένα πλαίσιο RTS. Εάν όμως στο μεσοδιάστημα ανιχνεύσει κίνηση (Carries Sense) τότε θα πρέπει να αναβάλει την μετάδοση. Έχει μεγαλύτερη διάρκεια από το SIFS έτσι ώστε να αποτρέψει τους υπόλοιπους σταθμούς να επέμβουν σε μία εξελισσόμενη συνομιλία και προορίζεται για τα πλαίσια χαμηλής προτεραιότητας. Η διάρκεια DIFS μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη μέθοδο: DIFS = SIFS + (2 * SLOT TIME) Standard SIFS (μs) Slot time (µs) DIFS (µs) IEEE (FHSS) 28 μs IEEE (DSSS) 10 μs IEEE b 10 μs IEEE a 16 μs 9 34 IEEE g 10 μs 9 or or 50 IEEE n (2.4 GHz) 10 μs 9 or or 50 IEEE n (5 GHz) 16 μs 9 34 IEEE ac 16 μs 9 34 Πίνακας 10 *σημείωση: Όταν δύο κάρτες δικτύωσης υποστηρίζουν διαφορετικά πρότυπα της οικογενείας IEEE αλλά συμβατά μεταξύ τους, τότε όλοι οι παράμετροι συγχρονίζονται με το προγενέστερο πρότυπο, δηλαδή το πρότυπο που υποστηρίζει την χαμηλότερη ταχύτητα μεταφοράς. Για παράδειγμα στην περίπτωση που επικοινωνούν τα πρότυπα g και b, έχουμε ίση διάρκεια SIFS (10μs) αλλά το Slot Time του g συγχρονίζεται με το Slot Time του b στα 20μs. Οπότε η διάρκεια του DIFS θα είναι : DIFS = SIFS(10μs) + [2 * Slot Time (20μs)] = 50μs AIFS (Arbitration Inter-Frame Spacing) Η λειτουργία EDCA ορίζει διαφορετικές περιόδους αναγκαστικής σιγής για κάθε ACs, με σκοπό να δώσει τις απαιτούμενες προτεραιότητες στις εφαρμογές που τις χρειάζονται, ώστε να πετύχει το QoS. Ορίζει λοιπόν την λειτουργία AIFS (Arbitration Inter-Frame Spacing) ως το επιπλέον χρονικό διάστημα σιγής των πλαισίων που διαβιβάζονται. 49

50 Οι προεπιλεγμένες τιμές AIFSN για κάθε ACs είναι οι εξής: ACs AIFSN Περιγραφή Background (AC_BK) 7 7 επιπλέον Slots Time στο DIFS Best Effort (AC_BE) 3 3 επιπλέον Slots Time στο DIFS Video (AC_VI) 2 2 επιπλέον Slots Time στο DIFS Voice (AC_VO) 2 2 επιπλέον Slots Time στο DIFS Legacy DCF 2 2 επιπλέον Slots Time στο DIFS Πίνακας 11 Πριν αναφέραμε πως το διάστημα DIFS είναι η ελάχιστη επιτρεπτή καθυστέρηση μεταξύ κανονικών πλαισίων (DATA Frames). To AIFS λοιπόν κάνει ακριβώς το ίδιο με την διαφορά ότι αυξάνει το διάστημα για τους τύπους κυκλοφορίας μικρότερης προτεραιότητας, αυτό το πετυχαίνει με την προσθήκη επιπλέον Slot Times υποχρεωτικής σιγής για αυτές τις κατηγορίες, προσφέροντας με αυτόν τον τρόπο μεγαλύτερη προτεραιότητα σε κυκλοφορίες υψηλότερης προτεραιότητας. Η διάρκεια AIFS μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη μέθοδο: AIFS = SIFS + (AIFSN[AC] * SLOT TIME) Από αυτόν τον τύπο καταλαβαίνουμε πώς όταν ο βαθμός προτεραιότητας μιας κατηγορίας πρόσβασης AC τεθεί ίση με 2 τότε AIFS time = DIFS time. Δηλαδή δίνει σε αυτές τις κατηγορίες την ελάχιστη επιτρεπτή αναγκαστική περίοδο σιγής προτού θέσουν το παράθυρο ανταγωνισμού σε λειτουργία, δηλαδή προτού αρχίσουν την αντίστροφη μέτρηση της τυχαίας υποχώρησης για μετάδοση. Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τις προεπιλεγμένες παραμέτρους των AIFS και CW για κάθε ΑC. Εικόνα 17 EIFS (Extended Inter-Frame Space) ή Επεκτεταμένο Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων Το διάστημα αυτό έχει την μεγαλύτερη διάρκεια και χρησιμοποιείται μόνο από τους σταθμούς που έχουν λάβει ένα πλαίσιο που περιείχε σφάλματα. Αυτό μπορεί να συμβεί για παράδειγμα όταν ο σταθμός που εκπέμπει έχει την δυνατότητα αποκωδικοποίησης του πλαισίου αλλά δεν συμβαίνει το ίδιο και 50

51 στον σταθμό λήψης. Τότε δίνεται η δυνατότητα στον σταθμό λήψης να επιστρέψει πλαίσιο Ack σε χρόνο EIFS με βάση το οποίο ο δέκτης αναγνωρίζει ότι το πλαίσιο δεν παραδόθηκε σωστά. Η Διάρκεια EIFS μπορεί να υπολογιστεί με την ακόλουθη μέθοδο: EIFS (EDCA) = asifstime + ACKTxTime + AIFS[AC] RIFS (Reduced Inter Frame Space) ή Μειωμένο Διάστημα Μεταξύ Πλαισίων To διάστημα αυτό είναι ένα από τα νέα χαρακτηριστικά που εισήχθησαν στο IEEE n για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας του Χρησιμοποιείται ως εναλλακτική λύση για SIFS σε ορισμένα σενάρια. Για παράδειγμα υπό ορισμένες συνθήκες το διάστημα SIFS δεν είναι απαραίτητο μεταξύ διαδοχικών MMPDU (MAC Protocol Data Unit) μεταδόσεων από ένα δεδομένο σταθμό. Η τιμή του RIFS είναι πολύ μικρότερη του SIFS και καθορίζεται στα 2μs. Στην παρακάτω εικόνα δίνουμε μια γενική σύγκριση των κύριων διαστημάτων IFS Συνοπτικά τα διαστήματα IFS Εικόνα 18 Συνδυάζοντας λοιπόν τον μηχανισμό RTS/CTS/Ack με τα διαστήματα IFS που ορίζει το πρότυπο e ελαχιστοποιούμε την πιθανότητα σύγκρουσης, αυξάνοντας την αποδοτικότητα των VANET, επομένως βελτιστοποιώντας την Ποιότητας των Υπηρεσιών που προσφέρουν. Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει βήμα προς βήμα την διαδικασία αποστολής πλαισίου δεδομένων (Data) από έναν κόμβο (Sender) σε κάποιον άλλο κόμβο (Receiver). Παρατηρούμε επίσης τις περιόδους NAV που αποτρέπουν τους υπόλοιπους σταθμούς (Other station) να στείλουν πλαίσιο, αποφεύγοντας με αυτόν τον τρόπο μια πιθανή σύγκρουση. 51

52 Διαδικασία αποστολής πλαισίου δεδομένων με RTS/CTS και NAV Εικόνα TXOP (Transmission Opportunity) ή Ευκαιρία Μετάδοσης Η μέθοδος EDCA προβλέπει την ανομοιότητα που προέκυψε μετά την χρήση του OFDM γνωστή ως «ανωμαλία ρυθμού». [20]. Το πρόβλημα παρουσιάστηκε στην ψηφιακή διαμόρφωση του σήματος σε πολλαπλές φέρουσες, αφού στέλνοντας παράλληλα δεδομένα, μπορεί οι πηγές τους να υποστηρίζουν διαφορετικές ταχύτητες. Αυτό έχει ως άμεσο αντίκτυπο την επιβάρυνση του γρήγορου αποστολέα. Για να αντιμετωπίσει αυτό το πρόβλημα προτείνεται η έννοια της ευκαιρίας μετάδοσης ή TXOP (Transmission Opportunity) που είναι μία πρόσθετη λειτουργία των επεκτάσεων παροχής ποιότητας υπηρεσιών. Σύμφωνά με αυτήν την λειτουργία ο κάθε σταθμός λαμβάνει ίση ποσότητα χρόνου χρήσης του αέρα και όχι ίσο αριθμό πλαισίων. Έτσι η διεκπεραιωτική ικανότητα του κάθε σταθμού είναι ανάλογη του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων που υποστηρίζουν. Εάν όμως ένα πλαίσιο είναι πολύ μεγάλο για να μεταδοθεί ενιαίο σε χρόνο που καθορίζει το TXOP, τότε θα πρέπει να κατακερματίζεται σε μικρότερα πλαίσια (θραύσματα). Η χρήση του μηχανισμού TXOP καθιστά κατάλληλο το πρότυπο για κυκλοφορίες πραγματικού χρόνου. Οι προκαθορισμένες λοιπόν τιμές της παραμέτρου TXOP είναι : DSSS OFDM AC_BK 0 0 AC_BE 0 0 AC_VI 6,016ms 3,008ms AC_VO 3.264ms 1,504ms Legacy DCF 0 0 Πίνακας 12 Ένα χρονικό διάστημα TXOP του 0 (μηδέν) σημαίνει ότι μπορεί να μεταδοθεί μια μόνο ενιαία MAC Service data unit (MSDU) ή MAC Management Protocol data unit (MMPDU). Στην DCF λειτουργία το κάθε πλαίσιο που μεταδίδεται περιέχει ένα πεδίο που ονομάζεται Duration field, δηλαδή «πεδίο Διάρκεια» που αντιπροσωπεύει το χρόνο που απαιτείται ώστε να ολοκληρωθεί η αποστολή του πακέτου και επιβεβαίωσής του. 52

53 Αυτός ο χρόνος στη DCF λειτουργία επιτρέπει την μετάδοση ενός μόνο πλαισίου, συμπεριλαμβανομένου και του χρόνου Επιβεβαίωσης όπου χρειάζεται. Αντιθέτως στην Υβριδική Λειτουργία Συντονισμού επιτρέπεται η αποστολή πολλών frames εντός του χρόνου που καθορίζει το TXOP. Αυτό σημαίνει πως το πεδίο Διάρκεια στην HCF λειτουργία αναφέρεται στη διάρκεια TXOP ενώ στην DCF λειτουργία αναφέρεται στο χρόνο NAV. Επίσης στο e ορίζει πως όταν χρησιμοποιείται η λειτουργία Transmission Opportunity, δηλαδή στέλνονται πολλά frames σε μία μόνο εκπομπή, τότε αυτά τα πλαίσια αναγνωρίζονται ως ένα ενιαίο πλαίσιο και θα επιβεβαιώνονται με ένα μόνο πλαίσιο Ack. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται Block Acknowledgment και είναι ιδιαίτερα σημαντικός αφού παρέχει λιγότερη επιβάρυνση τόσο στο πρωτόκολλο όσο και στο ασύρματο κανάλι (μέσο) και κατά συνέπεια και στο ίδιο το δίκτυο. 3.2 HCF Controlled Channel Access (HCCA) Η Ελεγχόμενη Πρόσβαση Καναλιού HCF (HCCA) προορίζεται για να ενισχύσει την λειτουργία PCF του πρωτοκόλλου CSMA/CA. Ωστόσο σε αντίθεση με την PCF κατά την οποία η έναρξη μιας περιόδου χωρίς ανταγωνισμό CFP γίνεται σε συγκεκριμένα χρονικά σημεία, δηλαδή αυτά που ορίζει το διάστημα PIFS, στην HCCA λειτουργία η έναρξη της περιόδου CFP μπορεί να γίνει σχεδόν σε οποιαδήποτε στιγμή κατά την περίοδο ανταγωνισμού (CP). Στο πρότυπο e αυτό το είδος περιόδου χωρίς ανταγωνισμό ονομάζεται Φάση Ελεγχόμενης Πρόσβασης ή CAP (Controlled Access Phase) με σκοπό να μην συγχέονται οι δυο έννοιες. Μια CAP λοιπόν μπορεί να ξεκινήσει από ένα AP όποτε το κρίνει απαραίτητο π.χ. εάν θέλει να στείλει ή να λάβει μια πληροφορία από έναν σταθμό, με εξασφαλισμένη περίοδο χωρίς συγκρούσεις. Κατά την διάρκεια CAP το σημείο συντονισμού ονομάζεται Υβριδικός Συντονιστής ή HC (Hybrid Coordinator), για να μην συγχέεται με τον όρο AP, αλλά ουσιαστικά έχουν τις ίδιες αρμοδιότητες. Από την στιγμή που ο συντονιστής στείλει πλαίσιο beacon, όλοι οι υπόλοιποι σταθμοί είναι αναγκασμένοι να διακόψουν τις μεταδόσεις τους. Μια ακόμη διαφορά της περιόδου CAP με την CFP είναι ότι μπορεί να ορίσει τις Κλάσεις Κυκλοφορίας ή TC (Traffic Class) και τις Ροές Κυκλοφορίας ή TS (Traffic Streams). Αυτό σημαίνει πως ο συντονιστής συλλέγει πληροφορίες από όλους τους σταθμούς σχετικά με τα μήκη των ουρών τους για κάθε Τύπο Κυκλοφορίας. Με αυτόν τον τρόπο ο HC μπορεί να συντονίσει αυτές τις ροές ορίζοντας συγκεκριμένο τύπο κίνησης και επιτρέποντας στους σταθμούς να μεταδώσουν πρώτα τα δεδομένα με μεγαλύτερη προτεραιότητα. Επιπλέον ο συντονιστής έχει την δυνατότητα να παρέχει Ευκαιρίες Μετάδοσης TXOP στους σταθμούς. Με αυτόν τον τρόπο, ένας σταθμός μπορεί να στείλει πολλά frames, όπως γίνεται και στην λειτουργία EDCA, με την διαφορά πως αυτό το χρονικό διάστημα καθορίζεται από τον Υβριδικό Συντονιστή. 53

54 Γενικά η HCCA θεωρείται η πιο προηγμένη και ταυτόχρονα πολύπλοκη λειτουργία συντονισμού. Η Ποιότητα των Υπηρεσιών που προσφέρει το δίκτυο μπορεί να ρυθμιστεί με μεγάλη ακρίβεια μέσω του υβριδικού συντονιστή. Πολλοί παράμετροι που συμβάλλουν στην ομαλή λειτουργία του δικτύου μπορούν να ελεγχθούν από τον HC και αυτός με την σειρά του να ενημερώσει τους σταθμούς ώστε να αλλάξουν αυτές τις παραμέτρους με απώτερο σκοπό τελικά την επίτευξη του QoS. Ένα παράδειγμα είναι συντονιστής να έχει την δυνατότητα να διαφοροποιήσει τις τιμές των παραμέτρων για τις ACs που είδαμε προηγουμένως (πίνακας 10) ενημερώνοντας όλους τους σταθμούς, αναλόγως τις κινήσεις που ανιχνεύει στο δίκτυο. Παρόλο αυτά τα Σημεία Πρόσβασης AP δεν είναι υποχρεωτικό να υποστηρίζουν τόσο την λειτουργία PCF με CSMA/CA, ούτε και την λειτουργία HCCA με HCF. Στην πραγματικότητα αυτές οι λειτουργίες έχουν παραγκωνιστεί από τους προμηθευτές ασύρματων δικτύων σε περιβάλλοντα οχημάτων και δεν έχουν εφαρμοστεί στην πράξη παρά μόνο σε πολύ λίγες (έως ελάχιστες) περιπτώσεις. Κεφάλαιο 4: Το πρωτόκολλο IEEE p 4.1 Εισαγωγή Βασικά Χαρακτηριστικά Η τροποποίηση p, επίσης γνωστή ως Ασύρματη Πρόσβαση σε Περιβάλλοντα Οχημάτων WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments), που δημοσιεύθηκε στις 15 Ιουλίου του 2010[4], καλύπτει πλήρως τις ανάγκες ενός ad hoc δικτύου οχημάτων, τόσο σε λειτουργικό επίπεδο υποστηρίζοντας V2V και V2I επικοινωνίες, όσο και στις ανάγκες των εφαρμογών, όπως των Ευφυών Συστημάτων Μεταφορών. Αυτή η προδιαγραφή περιγράφει το Φυσικό επίπεδο (PHY) και το επίπεδο Έλεγχος Πρόσβασης Μέσου (MAC) χρησιμοποιώντας τεχνολογίες μικρής εμβέλειας DSRC (Dedicated Short Range Communication) κατά προσέγγιση έως 1000 μέτρα. Σκοπός της είναι να παρέχει ανταλλαγή δεδομένων σε μικρές αποστάσεις μεταξύ των σταθμών χωρίς αυτοί να χρειάζεται να ενταχθούν σε ένα BSS. Λειτουργεί στην ζώνη των 5,9 GHz (5,85GHz 5,925GHz) χωρισμένη σε 7 κανάλια των 10 MHz και υποστηρίζει υψηλές πραγματικές ταχύτητες που κυμαίνονται από 3 έως 27 Mbps για κάθε κανάλι. Στο φυσικό επίπεδο βασίζεται στην μέθοδο μετάδοσης Ορθογωνική Πολύπλεξη με Διαίρεση Συχνότητας OFDM. Με μια γενική επισκόπηση του p μπορούμε να πούμε πως βασίζεται: στο IEEE (με DCF και CSMA/CA) στο IEEE a (με διαμόρφωση OFDM) στο IEEE e (με EDCA) Το 2010 η ASTM γνωστή και ως American Society for Testing and Material (Αμερικανική Εταιρεία Δοκιμών και Υλικών) που είναι ένας παγκόσμιος οργανισμός τυποποίησης που έχει αναπτυχθεί καθιερώνοντας πρότυπα γενικής αποδοχής σε ένα ευρύ φάσμα τεχνικών προϊόντων και υλικών, καθώς και επί συναφών συστημάτων και υπηρεσιών, τεκμηρίωσε το πρότυπο p στην έκδοση ASTM E (2010) [21] με πλήρες όνομα : Standard Specification for Telecommunications and Information Exchange Between Roadside and Vehicle Systems-5GHz Band Dedicated Short Range Communications (DSRC) Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. 54

55 Σύμφωνα με την ASTM, κάθε πρότυπο που τεκμηριώνεται, εμπίπτει σε 6 κατηγορίες: Specification(πρότυπες προδιαγραφές), Test Method (πρότυπη μέθοδος εξέτασης), Practice (συνήθης πρακτική), Guide (πρότυπος οδηγός), Classification (τυποποιημένη ονοματολογία), Terminology (ορολογία προτύπου). Η τεκμηρίωση του p αναφέρει πως το πρότυπο αυτό βασίζεται και παραπέμπει στις προδιαγραφές που ορίζει το πρότυπο IEEE για το Φυσικό Επίπεδο-PHY και το υποεπίπεδο Ελέγχου Πρόσβασης στο Μέσο-MAC. Ουσιαστικά αποτελεί επέκταση του a στην ζώνη των 5GHz αφού με βάση αυτό το πρότυπο διαμορφώνεται κατάλληλα ώστε να ταιριάζει καλύτερα στις απαιτήσεις των ασύρματων δικτύων σε περιβάλλοντα οχημάτων. Ακόμη περιγράφει τις λειτουργίες και τις υπηρεσίες που απαιτούνται από τα οχήματα για να λειτουργούν σωστά σε ένα ταχέως μεταβαλλόμενο περιβάλλον και να ανταλλάσσουν μηνύματα χωρίς να χρειάζεται να ενταχθούν σε ένα Βασικό Σύνολο Υπηρεσιών. Επιπλέον ορίζει ότι οι τεχνικές σηματοδότησης και οι λειτουργίες διασύνδεσης θα ελέγχονται από το IEEE MAC και περιγράφει τις απαιτήσεις και τις διαδικασίες για τα θέματα ασφαλείας και τους τρόπους επικύρωσης των χρηστών με τις συσκευές DSRC/ΙΕΕΕ802.11, με σκοπό την παροχή προστασίας της ιδιωτικής ζωής και των πληροφοριών των χρηστών που μεταφέρονται μέσω του ασύρματου μέσου. Το πρότυπο p για να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για επικοινωνία Car to Car (C2C) σε δίκτυα VANET, τροποποιεί τα αρχικά πρότυπα της οικογενείας για τους παρακάτω βασικούς λόγους : Υποστήριξη μεγαλύτερης εμβέλειας (έως 1000 μέτρα) Υψηλή ταχύτητα των οχημάτων (~140 km/h) Κινητικότητα των οχημάτων (πολλαπλές διαδρομές) Αντιμετώπιση καθυστερήσεων λόγω της αντανάκλασης των σημάτων στα μεταλλικά μέρη των αυτοκινήτων Ανάγκη για αξιόπιστη μετάδοση (μικρή λανθάνουσα πιθανότητα) Υποστήριξη εφαρμογών ITS Ανάγκη για πολλαπλά επικαλυπτόμενα ad-hoc ασύρματα δίκτυα με εξαιρετικά υψηλή ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS) Έλεγχος προτεραιοτήτων και έλεγχος της ισχύς των σημάτων Φυσικά στην εφαρμογή του προτύπου p οι χρήστες πρέπει να τηρούν τις ισχύοντες κανονιστικές απαιτήσεις και νόμους της εκάστοτε περιοχής, αφού όπως έχουμε αναφέρει η κάθε χώρα εφαρμόζει τις δικές τις απαιτήσεις. Ο οργανισμός IEEE κάνει σαφές πως οι διατάξεις των προτύπων τις δεν συνεπάγονται συμμόρφωση με τις απαιτήσεις κάθε χώρας και δεν φέρνει καμία ευθύνη προς αυτού. Οι συσκευές IEEE TM που λειτουργούν με βάση τις προδιαγραφές του p είναι ιδανικές για περιβάλλοντα όπου η τοπολογία του δικτύου μεταβάλλεται ταχέως και όπου απαιτούνται ανταλλαγές πληροφοριών πολύ μικρής σε διάρκεια επικοινωνία. Υποστηρίζουν και δίκτυα με υποδομή αλλά και ad hoc δίκτυα και τα χρονικά πλαίσια ανταλλαγής πληροφοριών είναι πολύ μικρότερα από το χρονικό διάστημα που απαιτείται για εκτέλεση του τυπικού ελέγχου ταυτότητας και σύνδεσης ενός σταθμού με ένα BSS. 55

56 Σύμφωνα με το p οι καθοδόν μονάδες RSUs έχουν μία σταθερή διεύθυνση MAC μεγέθους 48bit για τον Έλεγχο Πρόσβασης στο Μέσο (48-bit MAC address) ενώ οι εποχούμενες μονάδες OBUs δημιουργούν μία τυχαία διεύθυνση MAC κατά την έναρξη λειτουργίας της συσκευής. Στην περίπτωση που λάβει χώρα μία σύγκρουση πακέτων, το OBU αλλάζει αυτόματα την MAC διεύθυνση του. Βασικά Χαρακτηριστικά της τροπολογίας IEEE p Ζώνη Συχνοτήτων GHz Κανάλια 7 Channel bandwidth 10 MHz (20MHz προαιρετικό) Εξάπλωση φάσματος OFDM Μέθοδος Διαμόρφωσης BPSK QPSK 16QAM 64QAM Bit Rate (Mbps) 3, 4.5 6, 9 12, 18 24, 27 Code rate 1/2, 3/4 1/2, 3/4 1/2, 3/4 2/3, 3/4 Διάρκεια συμβόλου 8 μs (Τ FFT +T CP ) Διάρκεια Guard 1.6 μs Διάρκεια Preamble 32 μs Number of Subcarrier 64 Subcarrier spacing MHz (10MHz/64) Χρήση συστημάτων DSRC Ραδιοεπικοινωνία διπλής κατεύθυνσης Διάρκεια SIFS 32 μs Χρονοθυρίδα 13 μs Διάρκεια FFT (T FFT ) 6.4 μs Κυκλικό πρόθεμα T cp 1.6 μs Voice [AC_VO] CWmin=52μs CWmax=91μs AIFS=58μs Video [AC_VI] CWmin=91μs CWmax=195μs AIFS=58μs Best Effort [AC_BE] CWmin=195μs CWmax=13299μs AIFS=71μs Background [AC_BK] CWmin=195μs CWmax=13299μs AIFS=123μs Πίνακας Τρόποι λειτουργίας του IEEE p Το πρότυπο p υποστηρίζει δύο τρόπους λειτουργίας: Χωρίς WBSS (without Wireless BSS): Σε αυτήν την λειτουργία μεταδίδονται μηνύματα μόνο στο Control Channel (CCH). Τα μηνύματα αυτά είναι μηνύματα broadcast, μηνύματα ζωτικής σημασίας για την ασφάλεια και τα μηνύματα Ελέγχου (Control message) Με WBSS (with Wireless BSS):Αυτή η λειτουργία υποστηρίζει) αμφίδρομες ανταλλαγές μηνυμάτων (π.χ. Tolling, internet access). Σε αντίθεση με το IBSS, δεν απαιτεί τις διαδικασίες πιστοποίησης και σύνδεσης του κινητού σταθμού, παρά μόνο μια αίτηση (Request) για πρόσβαση και χρήση των καναλιών εξυπηρέτησης SCH. 56

57 4.3 Η ζώνη συχνοτήτων των GHz Το πρότυπο p λειτουργεί με πολυκαναλικές ραδιοεπικοινωνίες στην περιοχή συχνοτήτων από 5,855 έως 5,925 GHz με εμβέλεια μικρότερη (ή έως) των 1000 μέτρων. Για να αντιμετωπίσει καλύτερα τα προβλήματα που εμφανίζουν οι ραδιοεπικοινωνίες (π.χ. αντανάκλαση του σήματος από τα μεταλλικά μέρη των οχημάτων) ορίζει πώς το διάστημα αυτό χωρίζεται σε 7 κανάλια με 10MHz εύρος ζώνης δηλαδή το μισό σε σχέση με τα προηγούμενα πρότυπα, και τα οποία σύμφωνα με την OFDM διαμόρφωση είναι μή-επικαλυπτόμενα. Κατανομή καναλιών στην ζώνη συχνοτήτων 5.855GHz 5.925GHz Εικόνα 20 Η κεντρική συχνότητα των καναλιών-cfc (Center Frequency Channel) υπολογίζεται από τον τύπο 5000+N ch x5. π.χ. CFC (178) = x5=5890 MHz Το κανάλι 178 ονομάζεται CCH (Control Channel) και χρησιμοποιείται για broadcast μεταδόσεις. Είναι αφιερωμένο για επικοινωνίες μικρής εμβέλειας και υψηλής προτεραιότητας πλαίσια δεδομένων και πλαίσια διαχείρισης κυρίως για τις κρίσιμες για ην ασφάλεια επικοινωνίες. Ακόμη χρησιμοποιείται για να προετοιμάσει αμφίδρομες επικοινωνίες στα υπόλοιπα κανάλια. Τα κανάλια 172, 174, 176, 180, 182, και 184 ονομάζονται SCH (Service Channels) και χρησιμοποιούνται για όλες τις αμφίδρομες επικοινωνίες μεταξύ των OBUs ή μεταξύ μιας OBU και μιας RSU. Αλλιώς θα λέγαμε πως εξυπηρετεί επικοινωνίες V2V και V2I. Σε αυτά τα κανάλια μπορούν να έχουν πρόσβαση όλες οι ειδικές εφαρμογές όπως η ηλεκτρονική πληρωμή διοδίων, η πρόσβαση στο Internet κ.α. Επίσης τα κανάλια αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα (αφού δεν επικαλύπτονται) και έτσι πολλές εφαρμογές μπορούν εκτελεστούν παράλληλα και να εξυπηρετηθούν από διαφορετικά service channels. 57

58 4.4 Όρια Ισχύος Όπως αναφέραμε η Ομοσπονδιακή Επιτροπή Επικοινωνιών (FCC) υπαγορεύει ότι οι μονάδες των ασύρματων δικτύων θα πρέπει να ελέγχουν και να περιορίζουν την ισχύ των κεραιών τους για την αποφυγή των παρεμβολών. Παρακάτω παρουσιάζουμε τα επιτρεπόμενα όρια της ισχύς εισόδου (Μax Antenna Input Power) και της ακτινοβολούμενης ισχύς (EIRP-equivalent isotropically radiated power) για τις καθοδόν μονάδες-rsu και για τις μονάδες επί του οχήματος-obu. Τα όρια ισχύος εξαρτώνται από το είδος της εκπεμπόμενης πληροφορίας, δηλαδή μηνύματα Δημόσιας Ασφάλειας ή μηνύματα Ιδιωτικής Χρήσης. Τα όρια ισχύος σημάτων για Δημόσια χρήση Πίνακας 13 Τα όρια ισχύος σημάτων για Ιδιωτική χρήση Πίνακας 14 58

59 4.5 Βελτιώσεις του IEEE p Παρακάτω θα εξετάσουμε ποιες ακόμη τεχνικές χρησιμοποιεί το πρότυπο p, τροποποιώντας τις τεχνικές που ήδη μελετήσαμε στα προηγούμενα κεφάλαια, με σκοπό να εξασφαλίσει την Ποιότητα των Υπηρεσιών (QoS) Wildcard BSS Επειδή οι συνδέσεις μεταξύ των On Board Unit και των Road Side Units μπορεί να υπάρχουν για ένα σύντομο χρονικό διάστημα λόγω της κινητικότητας των οχημάτων, η τροποποίηση p ορίζει ένα τρόπο ώστε οι κόμβοι να μπορούν να ανταλλάσσουν πληροφορίες χωρίς την ανάγκη δημιουργίας ενός βασικού συνόλου υπηρεσιών (BBS) δηλαδή χωρίς να χρειάζονται να γίνουν οι διαδικασίες σύνδεσης και ελέγχου ταυτότητας μεταξύ των κόμβων για την πραγματοποίηση μιας ανταλλαγής δεδομένων. Οι μηχανισμοί αυτοί που υπάρχουν ως κληρονομιά από το πρότυπο παρέχονται πλέον από τα υψηλότερα στρώματα του δικτύου. Αυτή η διαδικασία είναι ουσιαστικά μια δέσμευση απαιτούμενων πόρων ώστε ένας σταθμός να μπορεί να εξυπηρετείται όποτε χρειάζεται. Στο πρότυπο p αυτή η δέσμευση κατονομάζεται ως Wildcard BSS ή αλλιώς WAVE BSS beacon[22]. Σύμφωνα με αυτήν την τροπολογία επιτρέπει στους σταθμούς να χρησιμοποιήσουν το Wildcard BSS στην θέση του BSSID έτσι ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν πληροφορίες, χωρίς τις διαδικασίες ένταξης και ταυτοποίησης σε ένα BSS dot11ocbenabled Το πρότυπο ορίζει μία λειτουργία στην Βάση Πληροφοριών Διαχείρισης (MIB) που ονομάζεται dot11ocbenabled. Εάν η τιμή του είναι true τότε αυτό σημαίνει το STA δεν είναι μέλος ενός BSS και δεν χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες ελέγχου ταυτότητας, σύνδεσης και εμπιστευτικότητας των δεδομένων. Αυτή η ικανότητα που προσφέρει αυτός ο μηχανισμός είναι ιδιαίτερα σημαντική όταν πρόκειται για ταχέως μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα επικοινωνίας, όπου τα οχήματα ουσιαστικά πρέπει να ανταλλάξουν πληροφορίες σε χρονικά διαστήματα της τάξης των δεκάδων ή εκατοντάδων χιλιοστών του δευτερολέπτου. Για σταθμούς που δεν διαθέτουν το συγκεκριμένη λειτουργία, τότε εκλαμβάνονται ως false Timing Advertisement Η τροπολογία p ορίζει ένα νέο πλαίσιο διαχείρισης που το ονομάζει Timing Advertisement (Αναγγελία Χρονισμού). Σε ένα ταχέως μεταβαλλόμενο δικτυακό περιβάλλον όπως αυτό των οχημάτων που ο χρόνος παίζει καθοριστικό ρόλο, ο συγχρονισμός όλων των συμβαλλόμενων είναι καίριας σημασίας. Το πλαίσιο αυτό επιτρέπει στους σταθμούς να συγχρονιστούν με ένα κοινό σημείο αναφοράς του χρόνου. Για να το πετύχει αυτό χρησιμοποιεί το κοινώς αποδεκτό σύστημα UTC (Universal Time Coordinated - Συντονισμένη Παγκόσμια Ώρα). Κάθε σταθμός διατηρεί μία λειτουργία που ονομάζεται Timing Synchronization Function (TSF) η οποία διατηρεί την ώρα σύμφωνα με το UTC. 59

60 Το πλαίσιο Timing Advertisement περιέχει την ένδειξη της TSF για να συγχρονίσει το πεδίο Timestamp όλων των γειτονικών σταθμών. Time Advertisement Frame Type 2bit Type description Subtype 4bit Subtype description 00 Management 0110 Timing Advertisement To/From DS Πίνακας 15 Ο συνδυασμός το πεδίων To DS = 0 και From DS = 0 στα πλαίσια σημαίνει ότι είναι ένα πλαίσιο δεδομένων απευθείας από έναν STA(3) σε έναν άλλο σταθμό STA(4) εντός του ίδιου ανεξάρτητου BSS ή ένα πλαίσιο δεδομένων απευθείας από έναν STA(1) έναν άλλο σταθμό STA(2) που ανήκουν στο ίδιο BSS αλλά κανείς από τους δύο δεν είναι AP (δηλαδή non-ap STA) Access Categories Εικόνα 21 Το πρότυπο p υιοθετεί επακριβώς το σύνολο των επεκτάσεων που ορίζει το πρότυπο e που είδαμε αναλυτικά προηγουμένως. Έτσι λοιπόν το πρότυπο βασίζεται στην Υβριδική Λειτουργία Συντονισμού-HCF και συγκεκριμένα στις λειτουργίες EDCA η οποία υποστηρίζει ad-hoc τοπολογίες και στην λειτουργία HCCA για δομημένα δίκτυα. Έτσι λοιπόν διαμορφώνονται δύο περιπτώσεις σύμφωνα με το dot11ocbenabled που είδαμε προηγουμένως: 1 η περίπτωση: dot11ocbenabled = False τότε ισχύουν οι προεπιλεγμένες τιμές AC CWmin CWmax AIFSN TXOP DSSS OFDM Other BK acwmin acwmax BE acwmin acwmax VI (acwmin+1)/2-1 acwmin ms 3.008ms 0 VO (acwmin+1)/4-1 (acwmin+1)/ ms 1.504ms 0 Πίνακας 16 60

61 2 η περίπτωση: dot11ocbenabled = True τότε ισχύουν οι παρακάτω τιμές AC CWmin CWmax AIFSN TXOP DSSS OFDM Other BK acwmin acwmax BE (acwmin+1)/2-1 acwmax VI (acwmin+1)/4-1 (acwmin+1)/ VO (acwmin+1)/4-1 (acwmin+1)/ Πίνακας 17 Συμπεραίνουμε ότι το πρότυπο p ορίζει σε περιπτώσεις ad-hoc δικτύου ή απλώς όταν ένα όχημα δεν έχει συνδεθεί με ένα BSS, ότι όλες οι κατηγορίες πρόσβασης έχουν Ευκαιρία Μετάδοσης ενός πλαισίου κάθε φορά (TXOP=0) διαφοροποιώντας τα διαστήματα AIFSN σε BK=9 BE=6 VI=3 και VO=2 με CWmin=15 και CWmax= Το σύστημα DSRC (Dedicated Short Range Communication) Η τεχνολογία για Εξειδικευμένες Επικοινωνίες Μικρής Εμβέλειας-DSRC είναι ένα συμπλήρωμα των κυψελωτών επικοινωνιών οποία βασίζεται σε ραδιοεπικοινωνία μικροκυμάτων διπλής κατεύθυνσης μεταξύ σταθερού εξοπλισμού κατά μήκος του οδικού δικτύου (RSU) και κινητής συσκευής (OBU) εγκατεστημένης σε όχημα. Παρέχουν επικοινωνία σε ραδιοσυχνότητες μικρής εμβέλειας, σε ασύρματα κανάλια μικρού βεληνεκούς. O σχεδιασμός του συστήματος το καθιστά κατάλληλο για χρήση σε περιβάλλοντα οχημάτων και υποστήριξης των αντίστοιχων πρωτοκόλλων επικοινωνίας, όπως το πρότυπο p-WAVE. Κατά συνέπεια μπορούν να υποστηρίξουν έναν μεγάλο αριθμό εφαρμογών όπως οι εφαρμογές Ευφυούς Συστήματος Μεταφορών ITS. Οι περιοχές στις οποίες έχει αναπτυχθεί μέχρις στιγμής αυτό το σύστημα είναι στην Βόρεια Αμερική, Ευρώπη και Ιαπωνία. Οι τεχνικές προδιαγραφές ωστόσο είναι διαφορετικές σε αυτές τις περιοχές. Οι προδιαγραφές των DSRC σε κάθε περιοχή και τις μεταξύ τους διαφορές Ιαπωνία (ARIB) Ευρώπη (CEN) Αμερική (ASTM) Οργανισμός Association of Radio Industries and Businesses European Committee for Standardization American Society for Testing and Materials Επικοινωνία OBU: Half-duplex RSU: Full-duplex Half-duplex Half-duplex Ζώνη συχνοτήτων GHz GHz GHz Κανάλια Down-link: 7 Up-link: Εύρος καναλιών 5 MHz 5 MHz 10 MHz Data Rate Downlink/Uplink Downlink 500kbps Downlink/Uplink 1 or 4 Mbps Uplink 250kbps 3-27 Mbps Κάλυψη 30 μέτρα μέτρα 1000 μέτρα (max) Διαμόρφωση 2-ASK (1Mbps) 2-ASK Σήματος 4-PSK (4Mbps) (with sub-carrier) OFDM Πίνακας 18 (πηγή: Industrial Technology Research Institute, Chinese) 61

62 Ο βασικός σκοπός των DSRC είναι η επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων και των καθοδόν μονάδων ή μεταξύ δύο οχημάτων με ραδιοσυχνότητες. Τα πρότυπα που υποστηρίζει το σύστημα DSRC λειτουργούν σε δύο ζώνες συχνοτήτων, στα 915MHz και στα 5.9GHz. Στην μπάντα των 915MHz λειτουργούν πρότυπα που υποστηρίζουν κυρίως εφαρμογές εμπορικών οχημάτων (π.χ. ηλεκτρονικά διόδια) ενώ στην μπάντα των 5.9GHz δραστηριοποιούνται πρότυπα (όπως το IEEE p) που έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορούν να υποστηρίξουν μια μεγαλύτερη ποικιλία εφαρμογών συμπεριλαμβανομένων εφαρμογές προειδοποιήσεων ασφάλειας (πχ αποφυγή σύγκρουσης και τυφλό σημείο), εφαρμογές προειδοποιήσεων συμβουλευτικού χαρακτήρα (πχ προηγμένο έλεγχο του οχήματος, ελάττωσης ταχύτητας) και εφαρμογές ψυχαγωγίας (πχ εφαρμογές Internet, ιδιωτικού χαρακτήρα). Επιπλέον τα πρότυπα που λειτουργούν στην ζώνη συχνοτήτων των 5.9GHz προσφέρουν σημαντικά υψηλότερη χωρητικότητα πληροφοριών και έχουν μεγαλύτερη εμβέλεια. 4.7 Intelligent Transport Systems ITS Τα Συστήματα Ευφυών Μεταφορών-ITS είναι ένας συνδυασμός τεχνολογιών πληροφόρησης και επικοινωνιών εφαρμοσμένων στον τομέα των μεταφορών, με στόχο την αποδοτικότερη, ασφαλέστερη και οικονομικότερη κυκλοφορία των οχημάτων κάνοντας χρήση νέων τεχνολογιών. Τα ITS εφαρμόζονται στα οδικά, σιδηροδρομικά, θαλάσσια και εναέρια συστήματα μεταφορών για να βελτιώσουν την ασφάλεια και την ποιότητα του περιβάλλοντος μέσω της παροχής πληροφοριών, σε πραγματικό χρόνο, στους διαχειριστές των συστημάτων και τους χρήστες τους. Στον τομέα των οδικών μεταφορών βασίζονται στα δίκτυα VANET και στον εξοπλισμό των οχημάτων με τα κατάλληλα συστήματα. Οι απαιτήσεις για QoS ιδιαίτερα όσον αφορά τις κρίσιμες εφαρμογές πρέπει να μεταδίδονται σε λιγότερο από 100msec και σε απόσταση τουλάχιστον 300 μέτρα [61]. Λόγω του ότι τα ITS μπορούν να έχουν μεγάλα οφέλη, πολλά ακαδημαϊκά ιδρύματα, αυτοκινητοβιομηχανίες, ακόμη και κυβερνήσεις ανά τον κόσμο, ανάμεσά τους το IEEE, το C2C-CC, το ETSI, και το ISO έχουν δώσει ιδιαίτερα μεγάλη προσοχή στην έρευνα γύρω από τον τομέα της τυποποίησης αυτών των εφαρμογών [23]. Σε γενικό επίπεδο τα ευφυή συστήματα μεταφορών στοχεύουν στην βελτίωση του περιβάλλοντος στα οδικά δίκτυα, καλύπτοντας τις ανάγκες των οχημάτων και των επιβατών στους τρεις βασικούς τομείς των οδικών μεταφορών: Τομέας Συμβατικής Διακίνησης Επιβατών Τομέας Δημόσιων Μεταφορών και Συγκοινωνιών Τομέας Εμπορευματικών Μεταφορών Επιπλέον για να διασφαλιστεί ότι όλες οι δομές ενός δικτύου VANET (OBUs, RSUs) είναι σε θέση να κατανοούν τις ανταλλασσόμενες πληροφορίες ανεξαρτήτου των κατασκευαστών και των εμπορικών σημάτων τους, έχει προταθεί ένα έγκυρο και κοινώς αποδεκτό τυποποιημένο σύνολο μηνυμάτων, από τον οργανισμό Society of Automotive Engineers (SAE). Το 2006 δημοσιεύτηκε το έγγραφο SAE J2735: Dedicated Short Range Communications (DSRC) Message Set Dictionary το οποίο περιέχει ένα πλήρες λεξικό μηνυμάτων για δίκτυα οχημάτων και πλέον βρίσκεται υπό ανάπτυξη η έκδοση 3.0 με όνομα SAE J2945 η οποία καθορίζει τις ελάχιστες απαιτήσεις για βελτιστοποίηση των επιδόσεων των συνόλων μηνυμάτων και των πλαισίων δεδομένων που ορίζονται στο SAE J2735 DSRC MSD [62]. 62

63 Έτσι λοιπόν ενώ το SAE J2735 ορίζει την μορφή των μηνυμάτων και των δεδομένων, το SAE J2945 ορίζει την ελάχιστη απαιτούμενη απόδοση αυτών των μηνυμάτων, με σκοπό να επιτευχθεί η πλήρης διαλειτουργικότητά τους. Το έγγραφο SAE J2945 αποτελείται από πολλαπλά τμήματα. Κάθε τμήμα περιγράφει και ορίζει τις απαιτήσεις για ένα συγκεκριμένο τομέα. Ως παράδειγμα το J περιγράφει και ορίζει τις ελάχιστες απαιτούμενες επιδόσεις των Βασικών Μηνυμάτων Ασφάλειας ή BSM (Basic Safety Message). Ένας μακρύς κατάλογος πακέτων υπηρεσιών είναι ήδη διαθέσιμος για τα οχήματα και τους χρήστες από την The National ITS Architecture [24]. Παρακάτω παρουσιάζουμε μερικές μόνο από τις βασικότερες κατηγορίες των υπηρεσιών που προσφέρουν τα ITS καθώς το εύρος είναι πολύ μεγάλο και διαρκώς αυξανόμενο: - Συστήματα Ασφάλειας Οχημάτων - Διαχείριση Πληροφοριών - Διαχείριση και Συντήρηση Οχήματος - Διαχείριση της κυκλοφοριακής συμφόρησης - Καταστάσεις Έκτακτης Ανάγκης - Συστήματα υποβοήθησης του οδηγού - Πληροφόρηση επιβατικού κοινού (αστικές συγκοινωνίες) - Διαχείριση Δημόσιας Συγκοινωνίας (Μέσα - Ηλεκτρονική Πληρωμή διοδίων και κομίστρων επί του οχήματος - Ηλεκτρονική κράτηση θέσεων και έκδοσης εισιτηρίου - Λειτουργίες Εμπορικών Οχημάτων - Διαχείριση εμπορικών και εμπορευματικών μεταφορών - Βέλτιστη χρήση δεδομένων κυκλοφορίας και μετακινήσεων - Μείωση μεταφορικού κόστους - Εξοικονόμηση ενέργειας - Βελτίωση και προστασία του περιβάλλοντος - Βελτίωση της Ποιότητας των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS) - Προστασία του περιβάλλοντος - Ταξιδιωτικές πληροφορίες - Υπηρεσίες για τους επιβάτες και Διαδικτυακές παροχές - Πληροφορίες καιρικών συνθηκών Στην Ευρώπη ήδη έχουν συγκροτηθεί πολλές κοινοπραξίες, που αποτελούνται από κράτη-μέλη της Ευρωπαϊκής ένωσης, ανάμεσά τους και η Ελλάδα, και διάφορους στρατηγικούς εταίρους που καλύπτουν το επιστημονικό υπόβαθρο, οι οποίοι είναι διάφορα πανεπιστημιακά και ερευνητικά κέντρα, μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες, φορείς παροχής υπηρεσιών, τηλεπικοινωνιακές βιομηχανίες και διάφορες οργανώσεις των χρηστών. Βασικός σκοπός όλων αυτών είναι να ενισχύσουν την διαλειτουργικότητα των συστημάτων ITS στα οδικά δίκτυα μεταφοράς σε τοπικό, περιφερειακό και διακρατικό επίπεδο, παρέχοντας στους χρήστες των δικτύων προηγμένες υπηρεσίες και δεδομένα κυκλοφορίας πραγματικού χρόνου. Επιπλέον παρέχουν ένα ασφαλές περιβάλλον, μηδενικών ατυχημάτων και μηδενικών καθυστερήσεων και με σεβασμό προς το περιβάλλον και τα προσωπικά δεδομένα των χρηστών [59][60]. 63

64 4.8 Αλγόριθμοι για την επιλογή του παραθύρου οπισθοδρόμησης Ο μηχανισμός οπισθοδρόμησης ή WB (Window Backoff) του IEEE p, λειτουργεί με τέτοιο τρόπο ώστε ένας κόμβος που επιθυμεί να εκπέμψει, θα αφουγκραστεί πρώτα το μέσο και αν είναι απασχολημένο το μέγεθος του WB (μετρημένο σε χρονοθυρίδες) τυχαία ανάμεσα στο [0, CWmin] όπου CWmin είναι η αρχική τιμή του Παράθυρου Ανταγωνισμού CW. Εάν υπάρξει σύγκρουση τότε το μέγεθος του CW διπλασιάζεται, έως ένα ανώτατο όριο. Από τον πίνακα προτεραιοτήτων που ορίζει το IEEE e καταλαβαίνουμε πως οι κινήσεις δεδομένων φωνής και βίντεο, εξυπηρετούνται με μεγαλύτερη πιθανότητα, αφού τα μεγέθη των CW και AIFSN τους είναι μικρότερα των άλλων τύπων κυκλοφορίας. Αποτέλεσμα όλων αυτών είναι ο ρυθμός διαμεταγωγής (throughput) αυτών των τύπων κυκλοφορίας (φωνή και βίντεο) είναι ικανοποιητικός για δίκτυα VANET όταν ο αριθμός των οχημάτων είναι σχετικά μικρός. Ωστόσο σε καταστάσεις πυκνής κυκλοφορίας, ο αριθμός των οχημάτων που ενδεχομένως εκπέμπουν ταυτόχρονα μπορεί να αυξηθεί ραγδαία με αποτέλεσμα την υψηλή πιθανότητα σύγκρουσης που οδηγεί σε χαμηλό ρυθμό διαμεταγωγής των δεδομένων. Σε τέτοιες περιπτώσεις είναι προτιμότερο οι κόμβοι να έχουν την δυνατότητα να επιλέγουν αυτόνομα το μήκος του παραθύρου ανταγωνισμού-cw, έτσι ώστε αυξάνοντάς το, να ελαχιστοποιείται η πιθανότητα σύγκρουσης. Για να αντιμετωπιστεί το εν λόγο ζήτημα, προτάθηκαν δύο αλγόριθμοι επιλογής του παραθύρου ανταγωνισμού για να ενισχύσουν το πρωτόκολλο IEEE p: Συγκεντρωτικός Αλγόριθμος Επαύξησης ο οποίος χρησιμοποιώντας τον μηχανισμό p-persistent CSMA δίνει την δυνατότητα στους κόμβους να επιλέγουν δυναμικά το παράθυρο οπισθοδρόμησης. Ο συγκεντρωτικός αλγόριθμος προϋποθέτει ότι ένας σταθμός γνωρίζει τον αριθμό τον οχημάτων που βρίσκονται στο εύρος επικοινωνίας του, το μέσο μέγεθος των πακέτων που μεταδίδονται και το διάστημα DIFS και με βάση αυτά τα στοιχεία υπολογίζει εάν θα μεταδώσει ή αν θα παραμείνει αδρανές σε κάθε συνεχόμενη χρονοθυρίδα. Ωστόσο με την χρήση πινάκων μπορεί να υπολογίσει εκ των προτέρων την πιθανότητα αυτή για διαφορετικές τιμές αυτών των στοιχείων και έτσι να μπορεί να εκτελείται σε πραγματικό χρόνο. Κατανεμημένος Αλγόριθμος Επαύξησης ο οποίος βασίζεται στο γεγονός ότι ο χρόνος που το κανάλι είναι ενεργό αυξάνεται όσο πιο πολλοί κόμβοι ανταγωνίζονται. Με βάση αυτό το στοιχείο ένας κόμβος ανιχνεύσει το μέσο για κάποιο χρονικό διάστημα και αποθηκεύει την αναλογία σε έναν μετρητή. Εάν στο επόμενο διάστημα ανίχνευσης διαπιστώσει ότι η αναλογία είναι μεγαλύτερη από αυτήν που δείχνει ο μετρητής, τότε θα καταλάβει ότι υπάρχουν περισσότεροι κόμβοι εντός του εύρους επικοινωνίας του και θα αυξήσει το παράθυρο ανταγωνισμού του ή αντίστροφα [25]. 64

65 Κεφάλαιο 5: Το IEEE 1609 Πλαίσιο Προτύπων WAVE Συλλογικά το πρότυπο IEEE p και τα πρότυπα IEEE1609.x καλούνται ως Ασύρματη Πρόσβαση σε Περιβάλλοντα Οχημάτων WAVE πρότυπο. Το IEEE 1609 αποτελεί μία οικογένεια προτύπων, τα οποία έχοντας ως βάση το πρότυπο IEEE p, καθορίζουν την αρχιτεκτονική, το μοντέλο επικοινωνίας, την δομή διαχείρισης των δεδομένων, τους μηχανισμούς ασφάλειας και τους τρόπους λειτουργίας του Φυσικού και του MAC επιπέδου για να υποστηρίξουν υψηλές ταχύτητες (έως 27Mbps), μικρής εμβέλειας (έως 1000 μέτρα) και χαμηλής λανθάνουσας κατάστασης σε ασύρματες επικοινωνίες σε περιβάλλον οχημάτων. Μαζί τα πρότυπα αυτά παρέχουν μία ολοκληρωμένη βάση για την οργάνωση, την διαχείριση και την λειτουργία των συσκευών που υποστηρίζουν δίκτυα VANET και ακόμη προσφέρουν ένα ολοκληρωμένο σχέδιο για την υποστήριξη των ITS. ΠΡΟΤΥΠΟ IEEE IEEE Guide for WAVE Trial-Use Standard for WAVE Trial-Use Standard for WAVE IEEE Standard for WAVE IEEE Trial-Use Standard for WAVE IEEE Standard for WAVE /Cor IEEE Standard for WAVE IEEE Trial-Use Standard for WAVE IEEE Standard for WAVE IEEE Standard for WAVE IEEE Standard for WAVE Τα πρότυπα της ομάδας IEEE 1609 Αρχιτεκτονική Περιγραφή Υπηρεσίες απομακρυσμένης διαχείρισης Υπηρεσίες Ασφαλείας για Εφαρμογές και Μηνύματα Διαχείρισης Υπηρεσίες Ασφαλείας για Εφαρμογές και Μηνύματα Διαχείρισης Δικτυακές Υπηρεσίες Δικτυακές Υπηρεσίες Δικτυακές Υπηρεσίες Λειτουργία πολλαπλών καναλιών Λειτουργία πολλαπλών καναλιών Πρωτόκολλο ανταλλαγής δεδομένων Over-the-Air ηλεκτρονικών πληρωμών για τα Ευφυή Συστήματα Μεταφορών (ITS) Εκχώρηση Αναγνωριστικών Πίνακας 19 Κατάσταση Ενεργό Αποσύρθηκε Αποσύρθηκε Ενεργό Αποσύρθηκε Ενεργό Ενεργό (διορθωτικό) Δοκιμαστικό Ενεργό Ενεργό Ενεργό 65

66 5.1 IEEE WAVE Αρχιτεκτονική Σε αυτόν τον οδηγό περιγράφεται η αρχιτεκτονική του πρωτοκόλλου για ασύρματης πρόσβαση σε περιβάλλον οχημάτων καθώς και οι απαραίτητες υπηρεσίες για τις συσκευές που επικοινωνούν σε ένα κινητό περιβάλλον οχημάτων. Βασικός σκοπός του είναι να χρησιμοποιηθεί με συνδυασμό με τα υπόλοιπα ενεργά πρότυπα της οικογενείας IEEE 1609 καθώς και το πρότυπο IEEE p ώστε να επιτρέψουν συλλογικά ένα ασφαλές ασύρματο δίκτυο επικοινωνιών μεταξύ οχημάτων (V2V) αλλά και μεταξύ οχήματος προς καθοδόν μονάδες (V2I). Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τον συνδυασμό των IEEE 1609 και του p και το αντίστοιχο μοντέλο αναφοράς διασύνδεσης ανοικτών συστημάτων OSI. Στρωματοποιημένη Αρχιτεκτονική IEEE 1609 και OSI Εικόνα 22 Όπως διακρίνουμε από την παραπάνω εικόνα τα πρότυπα IEEE 1609 βασίζονται στο πρότυπο p στο επίπεδο PHY και προσθέτουν επιπλέον λειτουργικότητα στο υποεπίπεδο MAC μέσω του Λειτουργία Πολλαπλών Καναλιών. Τα υπόλοιπα πρότυπα 1609 αναλαμβάνουν να καθορίσουν τις λειτουργίες των ανώτερων επιπέδων, Επιπλέον διακρίνουμε το Data plane που καθορίζει όλες τις διαδικασίες των δεδομένων και το Management plane το οποίο αναφέρεται στις αντίστοιχες οντότητες (entity) των επιπέδων: PLME είναι Οντότητα Διαχείρισης Φυσικού Επιπέδου, MLME είναι Οντότητα Διαχείρισης MAC Επιπέδου και WME είναι η Οντότητα Διαχείρισης WAVE. 66

67 5.2 IEEE WAVE Υπηρεσίες Ασφαλείας Αυτός ο οδηγός ορίζει ασφαλείς μορφές των μηνυμάτων διαχείρισης και των μηνυμάτων εφαρμογών, καθώς και την επεξεργασία τους από τις συσκευές WAVE. Κύριος σκοπός του είναι η διασφάλιση και η προστασία από επιθέσεις όπως: υποκλοπές, πλαστογράφηση, παραποίηση, επανάληψη, εισβολή στην ιδιωτική ζωή. Το εγγυάται την εμπιστευτικότητα, ακεραιότητα, γνησιότητα, ταυτοποίηση και διαθεσιμότητα. Οι βασικοί τύποι επιθέσεων παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα: Εικόνα 33 Επιθέσεις κατά των VANET 5.3 IEEE WAVE - Υπηρεσίες Δικτύωσης Πρόκειται για διορθωτικό πρότυπο του IEEE σχετικά με τα επίπεδα Δικτύου και Μεταφοράς. Καθορίζει το Πρωτόκολλο Σύντομων Μηνυμάτων WAVE ή WSMP (WAVE Short Message Protocol) που μπορεί να υποστηρίζεται απευθείας από τις εφαρμογές. Το πρωτόκολλο WSMP επιτρέπει στις εφαρμογές να ελέγχουν άμεσα τα χαρακτηριστικά του Φυσικού επιπέδου, όπως ο αριθμός του καναλιού, την ισχύ του πομπού και τον ρυθμό δεδομένων. Τα μηνύματα του WSMP μπορούν να σταλθούν σε οποιοδήποτε κανάλι. Περαιτέρω, το καθορίζει τις Βάσεις Πληροφοριών Διαχείρισης-MIB (Management Information Base) της Οντότητας Διαχείρισης WAVE-WME (WAVE Management Entity). Καθορίζει δηλαδή τις πληροφορίες εκείνες που είναι απαραίτητες από τις διεπαφές των υποστρωμάτων ώστε τα επίπεδα να συνομιλούν μεταξύ τους. Εικόνα 23 Το πεδίο Εφαρμογής του IEEE

68 5.4 IEEE WAVE - Λειτουργία πολλαπλών καναλιών Πρόκειται για διορθωτικό πρότυπο του IEEE [26] και παρέχει βελτιώσεις στο υποεπίπεδο MAC για τη υποστήριξη εφαρμογών σε πολυκαναλική ασύρματη συνδεσιμότητα μεταξύ των συσκευών WAVE. Το λειτουργεί πάνω από τα PHY και MAC layers. Μερικά βασικά χαρακτηριστικά που ορίζονται σε αυτόν τον οδηγό είναι η δρομολόγηση και ο συντονισμός του καναλιού ελέγχου CCH και των καναλιών παροχής υπηρεσιών SCH.Ακόμη ορίζει πως οι συσκευές WAVE θα πρέπει να εναλλάσσονται μεταξύ του CCH και ενός εκ των SCH. Αυτό απαιτεί αυστηρό συγχρονισμό μεταξύ των οχημάτων που θέλουν να μεταδώσουν στο ίδιο κανάλι το οποίο γίνεται εφικτό με το πλαίσιο TA (Time Advertisement) που παρέχεται από το p. Η πρόσβαση στα κανάλια γίνεται κατά προτεραιότητα, αναλόγως το είδος της πληροφορίας προς μετάδοση, διαφοροποιώντας ελάχιστα τις προκαθορισμένες παραμέτρους των ACs που ορίζει το πρότυπο e. Το πεδίο Εφαρμογής του IEEE Εικόνα 24 Οι τιμές των AC στο p με τις τροποποιήσεις του AC-VO AC-VI AC-BE AC-BK DCF AIFSN CWmin CWmax TXOP Πίνακας 20 Τα διαστήματα κατά τα οποία ένας σταθμός παραμένει συντονισμένος στο κανάλι CCH ή σε ένα εκ των SCH καλούνται ως CCH interval και SCH interval αντίστοιχα. Tα δύο αυτά διαστήματα έχουν ρυθμιστεί με προκαθορισμένη σταθερή τιμή 50ms. 68

69 Σύμφωνα λοιπόν με το σύστημα εναλλαγής καναλιών, όλες οι συσκευές πρέπει να συντονίζονται με το CCH για την ανταλλαγή μηνυμάτων ασφαλείας και ελέγχου. Μια συσκευή ωστόσο μπορεί να συντονιστεί σε ένα εκ των Service Channels για να μεταδώσει κάποια άλλη πληροφορία η οποία χαρακτηρίζεται ως nonsafety. Για την βελτίωση της χρησιμοποίησης των καναλιών όμως υποστηρίζονται τέσσερα συστήματα εναλλαγής καναλιών[56]. Αυτά είναι : -συνεχές: επιτρέπει σε έναν κόμβο να παραμείνει συντονισμένος με το κανάλι ελέγχου, προκειμένου να ανταλλάσσει δεδομένα που αφορούν την ασφάλεια. -εναλλασσόμενο: η μετάβαση από το CCH στο SCH κάθε 50ms -άμεσο: επιτρέπει στους κόμβους να μεταβούν σε ένα Service Channel άμεσα, χωρίς να περιμένουν το επόμενο SCH Interval -εκτεταμένο: επιτρέπει στους κόμβους να παραμείνουν συντονισμένοι σε ένα κανάλι υπηρεσιών, χωρίς την μετάβασή τους στο CCH κατά το CCH Interval. Συστήματα εναλλαγής καναλιών Εικόνα 25 Τόσο το άμεσο, όσο και το εκτεταμένο σύστημα, έχουν σχεδιαστεί να υποστηρίξουν εφαρμογές nonsafety που απαιτούν να μεταφέρουν τεράστιο όγκο δεδομένων. Το συνεχές σύστημα εξασφαλίζει ανταλλαγή μόνο πληροφοριών κρίσιμων για την ασφάλεια. Ως εκ τούτου το εναλλασσόμενο σύστημα εναλλαγής καναλιών, είθισται να χρησιμοποιείται ευρέως, για την υποστήριξη των safety και nonsafety εφαρμογών. Επίσης το πρότυπο IEEE ορίζει ένα διάστημα προστασίας-guard κατά την έναρξη τόσο της περιόδου CCH-Time όσο και της περιόδου SCH-Time. Το άθροισμα των δύο διαστημάτων δίνει την δυνατότητα στους σταθμούς να συγχρονιστούν. Απ αυτό καταλαβαίνουμε ότι το σύστημα δίνει την δυνατότητα στους σταθμούς να συγχρονιστούν 10 φορές ανά 1 δευτερόλεπτο. Επίσης κατά την διάρκεια του Guard Interval οι κόμβοι δεν επιτρέπεται να στείλουν ή να λάβουν πακέτα δεδομένων. Δεδομένου πως δύο ή και περισσότερα οχήματα που χρειάζεται να επικοινωνήσουν, θα πρέπει να είναι συντονισμένα στο ίδιο κανάλι, ο συντονισμός του χρόνου μεταξύ των οχημάτων αυτών είναι απαραίτητος. 69

70 Χαρακτηριστική τεχνική εξασφάλισης του QoS που ορίζει το p μέσω της λειτουργίας πολλαπλής πρόσβασης του είναι πώς το κάθε κανάλι χρησιμοποιείται για συγκεκριμένο σκοπό. Με αυτόν τον τρόπο αντιμετωπίζει καλύτερα τις απαιτήσεις των εφαρμογών, δίνοντας έμφαση και προτεραιότητα στις εφαρμογές που αφορούν σε θέματα ασφάλειας των οχημάτων. Κανάλια λειτουργίας του p και τα χαρακτηριστικά τους Εικόνα 35 Τα διαστήματα αναγκαστικής σιγής (AIFS) για κάθε κατηγορία πρόσβασης (AC) διαμορφώνονται αναλόγως το κανάλι που θα χρησιμοποιηθεί για την μετάδοση της πληροφορίας. Οι τιμές αυτές παρουσιάζονται στην παρακάτω εικόνα Εικόνα 36 70

71 Για την εξασφάλιση του συγχρονισμού των συσκευών, αυτή η αναφορά της ώρας UTC (Universal Time Coordinated) συχνά παρέχεται στα οχήματα από το GPS. Ωστόσο αν μία συσκευή αποτυγχάνει να πάρει το UTC από την τοπική GPS του, τότε θα πρέπει να λάβει πληροφορίες για την ώρα από άλλους σταθμούς μέσω του αέρα. Το IEEE υιοθετεί το πλαίσιο διαχείρισης Timing Advertisement από το πρότυπο p το οποίο όπως έχουμε αναφέρει, περιέχει την αναφορά της ώρας σύμφωνα με το UTC και το αναφέρει ως WAVE Time Advertisement (WTA).Δεδομένου λοιπόν ότι ένας κόμβος έχει την δυνατότητα να ενημερωθεί για την UTC, ευθυγραμμίζει την έναρξη του CCH Interval με την ώρα UTC ή με ένα πολλαπλάσιο των 100 ms μετά την UTC. Για την παροχή μιας υπηρεσίας nonsafety, ένας κόμβος που καλείται και ως «πάροχος-wave» αρχικοποιεί ένα ασύρματο βασικό σύνολο υπηρεσιών (WBSS). Ένας πάροχος-wave είναι είτε μια καθοδόν μονάδα (RSU) είτε μία μονάδα εγκατεστημένη σε όχημα (OBU). Κάθε πάροχος-wave κοινοποιεί την παρουσία του και τις προσφερόμενες υπηρεσίες που υποστηρίζει σε τακτά χρονικά διαστήματα κατά την διάρκεια ενός CCH Interval. Τα μηνύματα αυτά ονομάζονται ως WAVE Service Advertisement (WSA) και περιέχουν πληροφορίες για τις υποστηριζόμενες nonsafety εφαρμογές τους αλλά και τις απαραίτητες παραμέτρους για την εφαρμογή αυτών των εφαρμογών όπως οι παράμετροι EDCA, το SCH που εκπέμπει, η μέθοδος διαμόρφωσης που χρησιμοποιεί, η MAC διεύθυνσή του κτλ. Για λόγους αξιοπιστίας το πρότυπο προτείνει ότι κάθε πάροχος WAVE, πρέπει να στέλνει μηνύματα WSA αρκετές φορές κατά την διάρκεια CCH Interval. Συνοπτικά οι παρεχόμενες υπηρεσίες του IEEE είναι οι εξής: Δρομολόγηση των πακέτων από το υποεπίπεδο LLC στο καθορισμένο κανάλι Από προεπιλογή οι συσκευές WAVE λειτουργούν στο CCH Τα μηνύματα WSM επιτρέπονται σε όλα τα κανάλια Τα πακέτα IP επιτρέπονται μόνο στα κανάλια SCH Χρήση της λειτουργίας EDCA που παρέχεται από το e Εγγυάται ότι όλες οι συσκευές ελέγχουν το CCH συγχρόνως Εγγυάται ότι τα μέλη ενός WBSS μπορούν να χρησιμοποιούν τα SCH συγχρόνως Το επιθυμητό θα ήταν πως κάθε πάροχος WAVE θα επιλέγει κάθε φορά το SCH με την λιγότερη συμφόρηση, όμως δεν ορίζεται κάποιο τέτοιο συγκεκριμένο σύστημα επιλογής καναλιού. Μελέτες σχετικά με τα διαστήματα CCH Interval και SCH Interval έχουν δείξει πως η δυναμική προσαρμογή αυτών των δύο περιόδων οδηγεί σε βελτιστοποίηση του δικτύου, ειδικά σε περιπτώσεις συμφόρησης της κυκλοφορίας. Για τον στόχο αυτό αρκετά πρωτόκολλα Multichannel MAC έχουν προταθεί για την τροποποίηση του Multi-Channel Operation που προτείνει το IEEE και συγκεκριμένα για την υποστήριξη της δυναμικής προσαρμογής των διαστημάτων CCH Interval και SCH Interval.Μερικά από αυτά είναι το DID-MMAC (Dynamic Interval Division Multichannel Mac), το VCI (Variable CCH Interval), το DCI (Dynamic CCH Interval) και το DSI (Dynamic Safety Interval) [27][28][29][30]. Παρακάτω θα μελετήσουμε το πρωτόκολλο DID-MMAC για να δούμε τις μεθόδους που ακολουθεί για την υποστήριξη της λειτουργίας multi channel. 71

72 5.4.1 DID-MMAC: Dynamic Interval Division Multichannel MAC Το DID-MMAC [57] είναι ένα προσαρμοστικό πρωτόκολλο MAC το οποίο διαχωρίζει περαιτέρω το CCH Interval σε τρεις φάσεις, σύμφωνα με τον τύπο του μεταδιδόμενου μηνύματος. Αυτές οι φάσεις είναι οι εξής: SAP - Service Announce Phase (φάση Ανακοίνωσης Υπηρεσίας) Όπου μεταδίδονται μηνύματα WAVE Service Advertisement - WSA BP - Beacon Phase (φάση Αναγνωριστικών Σημάτων) Όπου μεταδίδονται πλαίσια Beacon PRP - Peer-to-Peer Reservation Phase (φάση Ομότιμη Λειτουργία Κράτησης) Όπου μεταδίδονται πλαίσια RTS για συγχρονισμό σε ένα Service Channel Λειτουργία της DID-MMAC Εικόνα 26 Το πρωτόκολλο DID-MMAC για να προσαρμόσει δυναμικά τα διαστήματα SAP και BP με έναν κατανεμημένο τρόπο, εκχωρεί διαφορετικές προτεραιότητες πρόσβασης στο κανάλι για τα διαφορετικά μηνύματα μέσω της διαφοροποίησης του παραθύρου ανταγωνισμού και των διαστημάτων IFS. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τις τιμές του CW και των IFS των πλαισίων, αναλόγως σε ποια Φάση κατατάσσονται:. Οι τιμές των IFS και του CW στο DID-MMAC Interval messages IFS CW Διάρκεια λήξης SAP WSA SIFS + 2 * Slot Time 7 IFSSAP + 7 * SlotTime BP Beacon SIFS + 3 * Slot Time 15 IFSBP + 15 * SlotTime Πίνακας 21 Η διαδικασία αποστολής γίνεται ακριβώς με την ίδια διαδικασία που ορίζει το p και οι προεκτάσεις του e, δηλαδή με το μηχανισμό CSMA/CA αρχικά γίνεται η ανίχνευση του καναλιού (Busy ή Idle) και αν το κανάλι είναι αδρανές για διάστημα ίσο με το IFS και μετά την παρέλευση του διαστήματος Backoff time (από 72

73 0 έως CW). Ως εκ τούτου καταλαβαίνουμε πως ένας πάροχος WAVE που έχει ένα μήνυμα WSA προς αποστολή έχει προτεραιότητα για πρόσβαση στο κανάλι έναντι κάποιου άλλου που έχει πλαίσιο Beacon προς αποστολή διότι το IFSSAP είναι μικρότερο του IFSBP. Η λήξη της περιόδου SAP και BP σηματοδοτείται όταν το κανάλι είναι σε αδράνεια για διάστημα IFSSAP + 7 * SlotTime και IFSBP + 15 * SlotTime αντίστοιχα. Η περίοδος PRP αρχίζει αμέσως ακριβώς μετά την λήξη της περιόδου BP. Η διάρκεια της PRP είναι ανάλογη του πραγματικού χρόνου φόρτου κυκλοφορίας. Προκειμένου όλοι οι κόμβοι να γνωρίζουν το ωφέλιμο φορτίου του δικτύου, το DID-MMAC εκχωρεί δύο νέα πεδία: το Ένδειξη Υπηρεσιών-SI (Service Indication) και το Ένδειξη Κυκλοφορίας-TI (Traffic Indication) στα μηνύματα WSA και Beacon αντίστοιχα. Το SI δείχνει το συνολικό μέγεθος των δεδομένων της υπηρεσίας και το TI δείχνει την κατάσταση της υπηρεσίας στην πλευρά του οχήματος. Κάθε φορά που ένας κόμβος λαμβάνει μηνύματα WSA και Beacon ενημερώνει το φορτίο κυκλοφορίας βασιζόμενο στις πληροφορίες SI και TI του λαμβανόμενου μηνύματος [31]. 5.5 IEEE P πρωτόκολλο ανταλλαγής δεδομένων over-the-air για ευφυή συστημάτων μεταφορών (ITS) Στο πρότυπο αυτό καθορίζονται οι ασφαλές διαδικασίες για την Ηλεκτρονική Πληρωμή μέσω συστημάτων DSRC τα οποία βασίζονται σε Ασύρματη Πρόσβαση σε Περιβάλλοντα Οχημάτων. Μερικές από τις βασικές διαδικασίες ηλεκτρονικής πληρωμής είναι το Electronic Payment Service Layer, το profile for Payment, η αυθεντικοποίηση της Ταυτότητας καθώς και η ασφαλής μεταφορά των δεδομένων πληρωμής μέσω του WAVE. 5.6 IEEE Κατανομή Χαρακτηριστικών Για την ασύρματη πρόσβαση σε περιβάλλον οχημάτων κατά το πλαίσιο IEEE 1609 χρησιμοποιείται ένα αριθμός αναγνωριστικού. Το πρότυπο αυτό καθορίζει τις τιμές και την χρήση αυτών των αναγνωριστικών στοιχείων. 5.7 Συμπεράσματα σχετικά με το WAVE Το πρότυπο WAVE αποτελεί την βάση, πάνω στο οποίο καθορίζεται σε παγκόσμια κλίμακα η αρχιτεκτονική και ένα τυποποιημένο σύνολο υπηρεσιών και διασυνδέσεων που επιτρέπουν ασφαλές ασύρματες επικοινωνίες μεταξύ οχήματος προς όχημα (VTV) και οχήματος προς υποδομή (VTI). Ο λόγος είναι προφανής ο κατακερματισμός του χώρου της ασύρματης επικοινωνίας από ένα μεγάλο πλήθος προτεινόμενων προτύπων, οδήγησε σε σύγχυση και έλλειψη συντονισμού από χώρα σε χώρα και στην ανομοιογένεια των διεπαφών επικοινωνίας μεταξύ των διαφόρων κατασκευαστών αυτοκινήτων. Όλα αυτά τα πρότυπα έπρεπε με κάποιον τρόπο να ομαδοποιηθούν ώστε να παράγουν ένα μοντέλο συντονισμού όλων των προτύπων, αποδεχτό σε παγκόσμια κλίμακα. Τα οφέλη αυτής της προσπάθειας είναι πολλαπλά: αποτελεσματικότερο περιβάλλον ασύρματης δικτύωσης οχημάτων σε παγκόσμιο επίπεδο, ευκολότερη ανάπτυξη και παραγωγή προϊόντων τόσο για τις αυτοκινητοβιομηχανίες όσο και για τους κατασκευαστές των διαφόρων εξοπλισμών με αποτέλεσμα την μείωση του κόστους αγοράς που αγγίζει εκατομμύρια καταναλωτές. 73

74 Το IEEE 1609 πλαίσιο προτύπων WAVE λοιπόν, βασιζόμενο στο πρότυπο IEEE p για το Φυσικό επίπεδο και το επίπεδο MAC, περιλαμβάνει όλες εκείνες τις τεχνικές που αποσκοπούν στην εύρυθμη λειτουργία ενός δικτύου VANET και κατ επέκταση στην βελτιστοποίηση της ποιότητας των υπηρεσιών που προσφέρει ένα τέτοιο δίκτυο. Τα πρότυπα αυτά όλα μαζί αποτελούν έναν πλήρη κατάλογο προδιαγραφών ικανών να υποστηρίξουν την αρχιτεκτονική, το μοντέλο επικοινωνιών, τα πρωτόκολλα, τους μηχανισμούς ασφαλείας, τις υπηρεσίες δικτύωσης και απομακρυσμένης διαχείρισης, την πολυκαναλική λειτουργία καθώς και την εύρυθμη λειτουργία των διεπαφών-interface (είτε εντός οχήματος-obu είτε καθοδόν-rsu) που υποστηρίζουν ασύρματη πρόσβαση σε περιβάλλον οχημάτων - WAVE. Βασιζόμενα στο πρότυπο IEEE p/WAVE διάφορα πρωτόκολλα επικοινωνίας αναπτύσσονται για την υποστήριξη δικτύων VANET. Στο έγγραφο αυτό θα μελετήσουμε δυο εκ των σημαντικότερων από αυτά: το C2C-CC (Car to Car Communication Consortium) που αναπτύσσεται από την GeoNet με στόχο την εφαρμογή του p στην ευρωπαϊκή αυτοκινητοβιομηχανία και το CALM (Continuous Long Interface for Long to Medium range ή Communication Access for Land Mobile) από την ISO (International Standard Organization) που σχεδιάστηκε για να αντιμετωπίσει τα ζητήματα συνεχούς επικοινωνίας μεταξύ των οχημάτων (V2V) και μεταξύ των οχημάτων και των καθοδόν μονάδων (V2I). Επιπλέον θα αναφερθούμε στο μοντέλο SAFESPOT [32] που εφαρμόζεται στην Ευρώπη. Κεφάλαιο 6: Συνεργατικά Συστήματα με βάση το IEEE p 6.1 C2C-CC (Car to Car Communication Consortium) Το C2C-CC[2][33] είναι μία ευρωπαϊκή κοινοπραξία που αριθμεί πλέον πολλά μέλη, όπως οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές αυτοκινήτων, προμηθευτές τεχνολογιών αλλά και πολλά ερευνητικά και ακαδημαϊκά ιδρύματα. Κύριος στόχος είναι να αναπτυχθεί ένα κοινό Ευρωπαϊκό μοντέλο για την τυποποίηση των διεπαφών και των πρωτοκόλλων, για την υποστήριξη ασύρματων επικοινωνιών μεταξύ των οχημάτων. Το σύστημα ασύρματης επικοινωνίας του Car2Car βασίζεται στο πρότυπο IEEE p για την επικοινωνία και την Ποιότητα των Υπηρεσιών μεταξύ οχημάτων. Συγκεκριμένα στοχεύει στην βελτίωση της οδικής ασφάλειας και τον πλήρη έλεγχο της κυκλοφορίας, προσφέροντας διαλειτουργικότητα μεταξύ των διαφορετικών κατασκευαστών αυτοκινήτων και των καθοδόν μονάδων. Προσφέρει επικοινωνίες μεταξύ αυτοκινήτων (C2C) και μεταξύ αυτοκινήτου και υποδομής (C2I). Οι δύο αυτοί τύποι επικοινωνίας αναφέρονται συχνά ως Car to X (C2X) επικοινωνίες. Τα σενάρια χρήσης του C2C-CC διαφοροποιούνται για ασφαλείς εφαρμογές (προειδοποιητικά μηνύματα) και μη ασφαλείς εφαρμογές (συμβουλευτικά μηνύματα). Στο κεφάλαιο 1.3 είδαμε ενδεικτικά παραδείγματα υποστηριζόμενων εφαρμογών σε δίκτυα VANET. Το C2C-CC βασίζεται στις προδιαγραφές του p για την αντιμετώπιση αυτών των ζητημάτων, καθώς οι προκλήσεις ενός δικτύου VANET είναι πολύ μεγάλες, όπως οι υψηλές ταχύτητες των οχημάτων και η ραγδαία αλλαγή της τοπολογίας του, το πρόβλημα του εκτεθειμένου κόμβου και η πρόσβαση στο μέσο με προτεραιότητες. 74

75 H ορθή λειτουργία του συστήματος επιβάλλει: η δυνατότητα όλων των οχημάτων να ανταλλάσσουν πληροφορίες σε μια λογική απόσταση ώστε να προβλέπονται επείγοντα περιστατικά και η σχετικά ακριβής τοποθέτηση των οχημάτων με την χρήση GPS ή οποιοδήποτε άλλου συστήματος εντοπισμού θέσης (geo-positioning) η εμπιστευτικότητα των πληροφοριών (δηλαδή τα οχήματα να εμπιστεύονται τις πληροφορίες που λαμβάνουν από παρακείμενα οχήματα) το οποίο συνεπάγεται διαλειτουργικότητα μεταξύ όλων των οχημάτων. Η ικανότητα ενός οχήματος να συνδέεται με μία καθοδόν μονάδα (RSU) η οποία προσφέρει σύνδεση στο internet αλλά και επικοινωνία πολλαπλών αλμάτων (multi-hop). Η ικανότητα των οχημάτων να δημιουργήσουν μια αξιόπιστη και ασφαλή σύνδεση είτε με άλλο όχημα είτε με μία καθοδόν μονάδα. Το C2C-CC για να εγγυηθεί αξιόπιστες επικοινωνίες και την απαιτούμενη ποιότητα των παρεχόμενων υπηρεσιών (QoS), υποστηρίζει την κατανομή μίας αποκλειστικά προστατευόμενης ζώνης συχνοτήτων, μεταξύ 5,855-5,925MHz, χωρισμένη σε 7 κανάλια με 10MHz εύρος ζώνης καναλιών όπως φαίνεται παρακάτω [33][34][35]. bands for C2C application Εικόνα 27 2 κανάλια από MHz, που προορίζονται για non-safety εφαρμογές 3 κανάλια από MHz και από MHz που προορίζονται για εφαρμογές οδικής ασφάλειας και βελτίωσης της κυκλοφορίας κυρίως για επικοινωνίες V2I. 1 κανάλι από MHz ως Control Channel για τον έλεγχο του δικτύου και για κρίσιμες εφαρμογές οδικής ασφάλειας. 1 κανάλι από MHz για κρίσιμες εφαρμογές οδικής ασφάλειας. Όλα τα κανάλια υποστηρίζουν επικοινωνίες V2V και V2I. Το σύστημα C2C-CC ορίζει ως υποχρεωτικούς διαύλους επικοινωνίας μόνο τα κανάλια του Part1 που ονομάζονται και «Protected Dedicated C2C-CC Channels», ενώ τα υπόλοιπα κανάλια του Part2 που ονομάζονται «Normal Channels» θεωρούνται προαιρετικά. 75

76 6.1.1 Οντότητες συστήματος επικοινωνίας του C2C-CC Application Unit (AU): είναι μία οντότητα εντός του οχήματος και τρέχει εφαρμογές που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις δυνατότητες επικοινωνίας του OBU. Μία AU μπορεί να είναι μια ειδική συσκευή για εφαρμογές ασφαλείας ή και εφαρμογές Διαδικτύου ή ακόμη και ένα σύστημα πλοήγησης με δυνατότητες επικοινωνίας. Σε ένα OBU μπορούν να συνδεθούν μία ή και περισσότερα AUs. Ομοίως μία AU μπορεί να είναι αποσπώμενη, όταν για παράδειγμα ο επιβάτης αφήνει ένα όχημα. Μια AU επικοινωνεί αποκλειστικά μέσω της OBU, η οποία χειρίζεται όλες τις λειτουργίες της κινητικότητας και της δικτύωσης για λογαριασμό της AU. On-Board Unit (OBU): είναι υπεύθυνη για επικοινωνίες C2C και C2I. Είναι εξοπλισμένη με τουλάχιστον μία συσκευή δικτύου για ασύρματη επικοινωνία μικρής εμβέλειας που βασίζεται στο IEEE p για υποστήριξη ασφαλείς εφαρμογών, αλλά μπορεί να είναι εξοπλισμένη και με περισσότερες συσκευές δικτύου που βασίζονται πχ στο IEEE a/b/g/n για υποστήριξη μή ασφαλείς εφαρμογών. Μια OBU περιλαμβάνει ένα ελάχιστο σύνολο εφαρμογών ασφαλείας, την στοίβα του πρωτοκόλλου C2C-CC βασιζόμενη τουλάχιστον στο πρότυπο p και μία διεπαφή συνδεμένη με τους τοπικούς αισθητήρες του οχήματος. Road-Side Unit (RSU): είναι μία συσκευή τοποθετημένη σε σταθερές θέσεις κατά μήκος των δρόμων ή σε κάποιες ειδικές περιοχές όπως βενζινάδικα, χώροι στάθμευσης κ.α. Ομοίως η RSU είναι σίγουρα εξοπλισμένη με μία τουλάχιστον διεπαφή δικτύου που βασίζεται στο p ή με περισσότερες διεπαφές προκειμένου να καταστεί δυνατή ή επικοινωνία με ένα δίκτυο διανομής. Άλλοι φορείς-οντότητες (πχ GSM,GPRS,UMTS,HSDRA,WiMax,4G) Στρωματοποιημένη Αρχιτεκτονική C2C-CC Στο φυσικό επίπεδο το C2C-CC υποστηρίζει επικοινωνίες κατά κύριο λόγο μέσω του IEEE p αλλά υποστηρίζει και τα πρότυπα IEEE a/b/g. Για την πλήρη και συνεχής σύνδεση υποστηρίζονται επίσης ραδιοεπικοινωνίες μέσω διαφόρων κυψελοειδών δικτύων όπως τα GSM, GPRS UMTS, HSDRA, WiMax και 4G [36]. Οι non-safety εφαρμογές χρησιμοποιούν την παραδοσιακή στοίβα πρωτοκόλλου TCP/UDP (ή κάποιο εναλλακτικό πρωτόκολλο μεταφοράς) και το πρωτόκολλο επικοινωνίας IPv6 (NEMO-Network Mobility). Μπορούν να δρομολογηθούν μέσω των διεπαφών δικτύου IEEE a/b/g ή κάποιας άλλης διεπαφής ασύρματης επικοινωνίας. Αντιθέτως οι ασφαλείς εφαρμογές χρησιμοποιούν την αριστερή στήλη της στοίβας πρωτοκόλλου C2C-C.Η στοίβα για τις ασφαλείς εφαρμογές περιλαμβάνει τα επίπεδα C2C Μεταφοράς, C2C Δικτύου και τα επίπεδα MAC και PHY του προτύπου IEEE p, με τις επεκτάσεις που ορίζει το πλαίσιο προτύπων IEEE 1609-WAVE. Η οντότητα IC (Information Connector) (σχήμα28) έχει ως κύρια αποστολή να παρέχει ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των διαφόρων στρωμάτων της στοίβας πρωτοκόλλου με αποτελεσματικό και καλά δομημένο τρόπο. Οι πληροφορίες αυτές αφορούν κυρίως ακατέργαστα και μη ερμηνεύσιμα δεδομένα 76

77 Protocol architecture of the C2C Communication System Εικόνα 28 Η επικοινωνία μέσω υπερύθρων (IR) και στα 60GHz (802.11ad) είναι επί του παρόντος υπό συζήτηση για το C2C-CC Οι υπηρεσίες των στρωμάτων του C2C-CC Το στρώμα Εφαρμογών του C2C-C αποτελείται από ένα βασικό σύνολο εφαρμογών που είναι υποχρεωτικά σε κάθε όχημα, το οποίο όμως επιδέχεται επεκτασιμότητας. Το στρώμα Δικτύου του C2C-C παρέχει κατάλληλους αλγορίθμους και συστήματα προκειμένου να λειτουργεί αξιόπιστα και αποτελεσματικά σε όλα τα σενάρια πυκνής ή αραιής πυκνότητας των οχημάτων σε δομημένες και μή τοπολογίες. Προς το παρόν ορίζει τους παρακάτω τρόπους διανομής: γεωγραφική εκπομπή (Geographical Broadcast): ένα πακέτο αντιγράφεται και αντίγραφά του αποστέλλονται σε όλους τους κόμβους μιας συγκεκριμένης περιοχής του δικτύου. τοπολογική εκπομπή (Topologically Broadcast): χρησιμοποιείται για την μεταφορά δεδομένων από έναν κόμβο-πηγή σε όλους τους κόμβους εντός του πεδίο κάλυψης (εμβέλεια) του κόμβου. γεωγραφική μονοδιανομή (Geographical Unicast): χρησιμοποιείται για την μετάδοση δεδομένων από έναν κόμβο-πηγή σε έναν άλλο κόμβο-προορισμό μέσω άμεσης επικοινωνίας ή μέσω πολλαπλών αλμάτων. γεωγραφική πολυδιανομή (Geographical Multicast): όπου ένα αντίγραφο του πακέτου αποστέλλεται σε όλα τα μέλη ενός ρητά προσδιορισμένου υποσυνόλου των κόμβων όχι απαραίτητα γειτονικών. 77

78 Τα στρώματα LLC και MAC του C2C-C δεν έχουν αποσαφηνιστεί αλλά σύμφωνα με το C2C-CC πρέπει να διέπονται από ορισμένες θεμελιώδεις αρχές στον σχεδιασμό τους. Σύμφωνα λοιπόν με το C2C-CC το επίπεδο LLC πρέπει να παρέχει ένα ορθά δομημένο σημείο πρόσβασης για το στρώμα Δικτύου, ενώ το επίπεδο MAC βασίζεται στις προδιαγραφές του IEEE p και IEEE με CSMA/CA. Όπως και στο WAVE το C2C ορίζει πως οι κόμβοι θεωρούνται εκ των προτέρων μέλη ενός ανεξάρτητου βασικού συνόλου υπηρεσιών (IBSS) και ανταλλάσσουν πληροφορίες χωρίς τις διαδικασίες ένταξης και ταυτοποίησης. Οι βασικές διαφοροποιήσεις του C2C σε σχέση με το πρότυπο WAVE όσον αφορά αυτά τα δύο στρώματα LLC και MAC, έγκειται στο ότι: Το υποεπίπεδο MAC του C2C θα πρέπει να παρέχει πληροφορίες στα ανώτερα στρώματα σχετικά με το τρέχον εκτιμώμενο φορτίο του καναλιού και σύμφωνα με αυτές τις πληροφορίες τα ανώτερα στρώματα εφαρμόζουν διάφορες στρατηγικές για την πρόληψη της μέσης συμφόρησης του δικτύου. Κατόπιν το υποεπίπεδο MAC διαμορφώνει κατάλληλα τις παραμέτρους EDCA των διαφόρων κατηγοριών πρόσβασης (ACs), όπως αυτές ορίζονται στο IEEE e. Το υποεπίπεδο LLC του C2C θα πρέπει να παρέχει παραμέτρους ελέγχου ανά πακέτο στο στρώμα Δικτύου, ιδίως όσον αφορά την ισχύ μετάδοσης. Το Φυσικό στρώμα του C2C-C βασίζεται στην ασύρματη τεχνολογία του p με τις τροποποιήσεις του WAVE Βασικά Χαρακτηριστικά του C2C-CC Η μέγιστη επιτρεπόμενη ισχύς μετάδοσης σε ένα σύστημα C2C-CC είναι 33dBm με μέγιστη εμβέλεια επικοινωνίάς 3000m (όταν υπάρχει οπτική επαφή). Το C2C-CC υποστηρίζει λειτουργίες ελέγχου ισχύς μετάδοσης (TPC-Transmit Power Control). Οι ρυθμοί δεδομένων που υποστηρίζονται είναι 3/4,5/6/9/12/18/24/27 Mbps με την χρήση του OFDM. Η προεπιλεγμένη ταχύτητα μετάδοσης είναι στα 6 Mbps. Διπλός πομποδέκτης: η χρήση διπλής κεραίας στα οχήματα είναι υποχρεωτική. Παρόλο αυτό όμως μπορεί να παρέχει πολλά πλεονεκτήματα σε ένα σύστημα C2C. Το πιο ουσιώδες πλεονέκτημα είναι ότι ένα όχημα μπορεί να είναι μονίμως συντονισμένο με το Control Channel για ανταλλαγές πληροφοριών ασφάλειας και ταυτόχρονα να είναι συντονισμένο με οποιοδήποτε άλλο κανάλι για ανταλλαγή μηνυμάτων non-safety. MAC διευθύνσεις: υποστηρίζονται δύο μορφές διευθύνσεων MAC, μία 48bit για επικοινωνία μέσω του πρωτοκόλλου IEEE p και μία 64bit για την επικοινωνία με άλλα συστήματα. Όπως και στο WAVE έτσι και εδώ για να διασφαλιστεί η προστασία της ιδιωτικής ζωής, υπαγορεύεται η αλλαγή της διεύθυνσης MAC με μία τυχαία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Quality of Service: για την βελτιστοποίηση της ποιότητα των υπηρεσιών το σύστημα C2C-CC εφαρμόζει τις προδιαγραφές του προτύπου IEEE e μέσω του πρωτοκόλλου IEEE p. 78

79 Εμβέλεια κινητής Επικοινωνίας με κατευθυντική κεραία MAC αλγόριθμος Μέθοδος Διαμόρφωσης Data Rate Communication mode Διάρκεια Σύνδεσης (Hook Up) Διάρκεια Μεταπομπής (Handover) Διάρκεια Ενεργοποίησης Καναλιών Βασικά Χαρακτηριστικά του C2C-CC 1-2 Km σε NLOS (Non-line-of-sight) έως 3 km σε LOS (line-of-sight) CSMA/CA OFDM (BPSK, QPSK, 16 QAM, 64QAM) 3 / 6 / 9 / 12 / 18 / 24 / 27 Mbps Unicast, Multicast, cell broadcast 94 μsec 273 μsec για το επίπεδο LLC και συνολικά 1 msec έως το επίπεδο Εφαρμογής Από 27 μsec έως 200 μsec αναλόγως τις ρυθμίσεις όπως η μέθοδος διαμόρφωσης, η συχνότητα κ.α. Απώλεια 1 πακέτου κάθε (max) PER (Packet Error Rate) QoS (Quality of Service) 99% Κεραία (Antenna) Μια κεραία για μετάδοση και για λήψη, αλλά υποστηρίζονται και MIMO Μέγιστη εκπεμπόμενη ισχύς (EIRP) έως 33 dbm Πίνακας 22 Το σύστημα C2C-CC είναι σε θέση να υποστηρίξει δύο ακραίες καταστάσεις: να αντιμετωπίζει περιπτώσεις πολύ υψηλής και πολύ χαμηλής πυκνότητας της κυκλοφορίας. Σε χαμηλή πυκνότητα υπάρχει το ενδεχόμενο ένα όχημα να είναι έξω από το εύρος μετάδοσης άλλων οχημάτων, ενώ σε περιπτώσεις υψηλής πυκνότητας της κυκλοφορίας ενδέχεται η το πλήθος των δεδομένων να υπερβαίνει το διαθέσιμο εύρος ζώνης με αποτέλεσμα την υπερφόρτωση του δικτύου. Το C2C-CC ορίζει μερικά υποχρεωτικά στοιχεία που πρέπει να διαθέτει ένα όχημα όπως: δεδομένα θέσης, ταχύτητα οχήματος, κατεύθυνση οδήγησης, προειδοποιητικά σήματα (φώτα κινδύνου), σύστημα αντιμπλοκαρίσματος τροχών (ABS-Anti-lock Braking System), Ηλεκτρονικός Έλεγχος Ευστάθειας (ESC-Electronic Stability Control) και Σύστημα Ελέγχου Πρόσφυσης (TCS-Traction Control System). Ένα πρωτόκολλο διανομής δεδομένων πρέπει να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των εφαρμογών. Έτσι πρέπει να διέπεται από μερικά βασικά χαρακτηριστικά όπως: μεταφορά χωρίς λάθη, αξιοπιστία, ελαχιστοποίηση καθυστέρησης, υποστήριξη προτεραιοτήτων στα δεδομένα, πολυπλεξία και εγκυρότητα ανακάλυψης θέσης. Βασική τεχνική για να υποστηρίξει τα προαναφερθέντα είναι ο Πίνακας Τοποθεσιών, ο οποίος αποτελεί μία βάση δεδομένων που περιλαμβάνει πληροφορίες για κάθε έναν γνωστό κόμβο, όπως τις διευθύνσεις δικτύου, MAC και IPv6, την γεωγραφική θέση, την ταχύτητα και το timestamp. 79

80 6.2 CALM (Communication Access for Land Mobile) Το CALM [37] είναι ένα σύνολο προτύπων για την υποστήριξη συνεργατικών-its ή αλλιώς Cooperative-ITS (C-ITS) που αναπτύχθηκε από Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης με πλήρες όνομα ISO TC204/Working Group16. Ορίζει ένα σύνολο πρωτοκόλλων ασύρματης επικοινωνίας και των ασύρματων διεπαφών για υποστήριξη ασύρματων επικοινωνιών, με πολλαπλούς τρόπους επικοινωνίας και πολλαπλών μεθόδων μετάδοσης των Ευφυών Συστημάτων Μεταφοράς (ITS). Το CALM περιγράφεται από τα ακόλουθα πρότυπα [38]: ISO 21217: CALM Global Architecture ISO 24102: CALM Management Stack ISO 21218: CALM Lower Layer Service Access Points ISO 21210: CALM Networking for Internet Connectivity ISO 29281: CALM Non-IP networking (CALM FAST) ISO 24101: CALM Application Management ISO 21214: CALM IR Medium ISO 21215: CALM M5 Medium ISO 21216: CALM MM Medium Η αρχιτεκτονική του CALM καθορίζει τις εξής οντότητες που συνδέονται μεταξύ τους με Σημείο Πρόσβασης Υπηρεσίας-SAP (Service Access Point): Access entity: ορίζει τις μεθόδους Πρόσβασης στο μέσο Networking & Transport entity: ορίζει τις μεθόδους Δικτύωσης και Μεταφοράς Facilities entity: ορίζει τις υποστηριζόμενες υπηρεσίες Applications entity: αποτελεί το σύνολο το υποστηριζόμενων εφαρμογών Management entity: προσφέρει τα μέσα για την διαχείριση του σταθμού Security entity: προσφέρει τα μέσα για την διασφάλιση των επικοινωνιών Αρχιτεκτονική προτύπου CALM Εικόνα 29 80

81 6.2.1 Βασικά χαρακτηριστικά του CALM Το CALM παρέχει ένα στρωματοποιημένο μοντέλο που επιτρέπει την σχεδόν συνεχή επικοινωνία μεταξύ οχημάτων ή μεταξύ οχημάτων και υποδομών. Χρησιμοποιεί την βέλτιστη ασύρματη τηλεπικοινωνιακή πρόσβαση που είναι διαθέσιμη σε κάποια συγκεκριμένη τοποθεσία και έχει την δυνατότητα να στραφεί σε διαφορετικά μέσα μετάδοσης, όταν κρίνεται απαραίτητο Το σύστημα επικοινωνίας του CALM υποστηρίζει τους εξής τρόπους επικοινωνίας: Όχημα προς Όχημα (V2V), Όχημα προς Υποδομή (V2I) και Υποδομή προς Υποδομή (I2I). Το CALM υποστηρίζει ασύρματα συστήματα LAN στα 5GHz (Ευρώπη) με το παραδοσιακό WiFi όπως και μέσω του IEEE p-WAVE με την ονομασία CALM M5. Επίσης το CALM μπορεί να υποστηρίξει και συστήματα που λειτουργούν στα 60GHz. Υποστηρίζει κατευθυντικές κεραίες και την διαχείρισή τους Υποστηρίζει πολλαπλές διεπαφές ραδιοεπικοινωνίας Η μέθοδος μετάδοσης που χρησιμοποιείται από CALM βασίζεται σε ένα ή περισσότερα από τα ακόλουθα μέσα επικοινωνίας: GSM (Global System for Mobile communications) HSDSC (High Sensitivity Differential Scanning Calorimetric) GPRS (General Packet Radio Service) 3G UMTS (3G Universal Mobile Telecommunications System) Infrared Bluetooth DSRC GHz WiMAX (IEEE e) RDIF (Radio Frequency Identification) Δορυφορικές Επικοινωνίες Το CALM μπορεί να υποστηρίξει ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών για τα οχήματα συμπεριλαμβανομένου της πρόσβασης στο Διαδίκτυο, δυναμική πλοήγηση, προειδοποιήσεις ασφαλείας και αποφυγής συγκρούσεων. Παράδειγμα εφαρμογής του CALM είναι το πρόγραμμα CVIS[39][40] (Cooperative Vehicle-Infrastructure Systems) που αναπτύσσεται από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης. Όπως και στο C2C-CC έτσι και το CALM προσφέρουν επικοινωνία safety και non-safety εφαρμογών. Το CALM εξασφαλίζει την ποιότητα των υπηρεσιών που προσφέρει μέσω των μηχανισμών και των τεχνικών που ορίζονται στο πρότυπο IEEE 802 για την αποστολή των safety εφαρμογών, ενώ όταν πρόκειται για τις non-safety εφαρμογές το πρωτόκολλο μεταφοράς μπορεί να χρησιμοποιήσει οποιοδήποτε διαθέσιμο τρόπο και μέσο μετάδοσης. 81

82 6.3 SAFESPOT Integrated Project Το SAFESPOT[32] είναι η ονομασία ενός ολοκληρωμένου πανευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος το οποίο διερευνά τους τρόπους με τους οποίους τα οχήματα μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ενός διαδραστικού συστήματος επικοινωνίας. Ξεκίνησε το 2006 και σήμερα περιλαμβάνει 51 συμμετέχοντες από δώδεκα ευρωπαϊκές χώρες μεταξύ αυτών και πολλοί από τους μεγαλύτερους κατασκευαστές οχημάτων και προμηθευτές αυτών, μεγάλα ερευνητικά κέντρα και πανεπιστήμια και διάφοροι φορείς διαχείρισης οδικών αξόνων. Η μοναδικότητα του SAFESPOT είναι ότι με την βοήθεια της τηλεματικής, τα οχήματα μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους. Επιπλέον τα οχήματα έχουν την δυνατότητα να επικοινωνούν με την υπάρχουσα οδική υποδομή. Υποστηρίζει δηλαδή επικοινωνίες V2V και V2I για την δημιουργία ενός συστήματος οδηγικής υποστήριξης που αυξάνει την ενεργητική ασφάλεια. Τα οχήματα θα πρέπει να είναι εφοδιασμένα με GPS ή άλλα συστήματα πλοήγησης και ειδικούς αισθητήρες, όπως ειδικές κάμερες για αλλαγή λωρίδας κυκλοφορίας. Οι τεχνικές λύσεις του SAFESPOT περνούν από πρακτικές δοκιμές που διεξάγονται σε διάφορα κέντρα δοκιμών στην Ευρώπη μεταξύ αυτών στην Σουηδία (Göteborg και Stockholm), Ολλανδία (Rotterdam), Γερμανία (Dortmund), Γαλλία (Paris), Ισπανία (Valladolid) και Ιταλία (Torino). Οι δοκιμές έγιναν από κοινού με τα ήδη εγκατεστημένα συνεργατικά πληροφοριακά συστήματα οχημάτων (CVIS) που υποστηρίζουν την τεχνολογία C2C-CC. Το πρόγραμμα SAFESPOT για να πετύχει την ασφάλεια, την αξιοπιστία, την ταχεία επικοινωνία και την Ποιότητα των Υπηρεσιών του για την V2V και V2I επικοινωνία, βασίζεται στις προδιαγραφές του πρωτοκόλλου IEEE p στην ζώνη συχνοτήτων 5.9GHz ( GHz) για την υποστήριξη των ITS εφαρμογών. SAFESPOT Αρχιτεκτονική βασισμένη στο p και το C2C-CC Εικόνα 30 Επίσης το SAFESPOT βασίζεται στην χρήση GPS για την ακριβή θέση του οχήματος και του περιβάλλοντος γύρω από αυτό και σε πληροφορίες από ειδικούς αισθητήρες τοποθετημένους στα οχήματα. Ως υποδομή χρησιμοποιούνται ειδικοί αισθητήρες που τοποθετούνται σε διάφορα σταθερά σημεία παραπλεύρως του δρόμου, όπως κολώνες φώτων, πινακίδες σήμανσης, φωτεινές πινακίδες προειδοποίησης κτλ, οι οποίοι αποτελούν το LDM (Local Dynamic Map) του συστήματος. Με βάση αυτά τα δεδομένα διαμορφώνει έναν ψηφιακό χάρτη[41], που αποτελεί και την καρδιά του συστήματος, που στοχεύει στην ενημέρωση και έγκαιρη προειδοποίηση των οδηγών. 82

83 Το LDM είναι μία κεντρική βάση δεδομένων που συλλέγει πληροφορίες από τα οχήματα και διάφορα συστήματα παρακολούθησης τοποθετημένα στην άκρη του δρόμου όπως κλειστό κύκλωμα τηλεόρασης (CCTV), υπέρυθρες κάμερες, laserscanner, ασύρματο δίκτυο αισθητήρων και άλλα για να συλλέξει δεδομένα όπως: δεδομένα θέσης και ταχύτητας των οχημάτων, ανίχνευση της θέσης των χρηστών του οδικού δικτύου σε επικίνδυνες διασταυρώσεις, ανίχνευση της παρουσίας ομίχλης ή βροχής και εκτίμησης του εύρους ορατότητας, ανίχνευση πάγου στην άσφαλτο μέσω φιλτραρίσματος της εικόνας από κάμερες CCTV, ανίχνευση πεζών ή ζώων στον δρόμο μέσω κάμερας υπερύθρων κ.α.. Η λειτουργία του SAFESPOT συνοψίζεται στην χρήση των παρακάτω συνεργατικών συστημάτων για την επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων: Ακριβής Συνεργατικός Εντοπισμός - ACL (Accurate Cooperative Localisation) Τοπικοί Δυναμικοί Χάρτες - LDM (Local Dynamic Maps) Εξειδικευμένη Επικοινωνιακή Δικτύωση - Ad hoc Communication Networking Υποστηρίζονται εφαρμογές που αφορούν στην ασφάλεια του οχήματος, όπως τα Ευφυή Συστήματα Εφαρμογών, πχ προειδοποιήσεις ασφάλειας στις διασταυρώσεις, επικείμενης σύγκρουσης, παρουσίας πεζών ή άλλων εμποδίων, κακών οδικών ή καιρικών συνθηκών, ορίων ταχύτητας, ατυχημάτων που έχουν συμβεί, οχημάτων έκτακτης ανάγκης κτλ. Οι πληροφορίες αυτές ανταλλάσσονται μεταξύ των οχημάτων και γίνονται αντιληπτά από τους οδηγούς μέσω μιας οθόνης ηχητικών ή οπτικών σημάτων, τοποθετημένης σε ευδιάκριτο σημείο στο όχημα, αλλά χωρίς να αποσπά την προσοχή του οδηγού από τον δρόμο. Το SAFESPOT διαχωρίζεται σε 8 συνεργαζόμενα υποέργα ή SP(Sub-Project)[42], το καθένα από τα οποία μελετά διαφορετικές πτυχές της τεχνολογίας C2C. Αυτά είναι: 1) SP1-SAFEPROBE: παρέχει πληροφορίες που αφορούν την ασφάλεια γύρω από το όχημα και το περιβάλλον του, σύμφωνα με το πρωτόκολλο p 2) SP2-INFRASENS: παρέχει πληροφορίες για την λειτουργία της υποδομής και καθορίζει όλη την απαραίτητη επεξεργασία των δεδομένων για να είναι σε θέση το σύστημα να παρέχει υψηλής ποιότητας και αξιοπιστίας πληροφορίες. Πιο απλά προσπαθεί να αυξήσει το επίπεδο λεπτομέρειας και ακρίβειας που αφορούν ένα συγκεκριμένο συμβάν (πχ ένα εμπόδιο ή ένα όχημα). 3) SP3-SINTECH: μελετά τους τρόπους με τους οποίους οι διαφορετικές τεχνολογίες επικοινωνίας θα προσαρμόζονται αναλόγως τις συνθήκες και τις ανάγκες των οχημάτων και των υποδομών. Το project αυτό ορίζει επίσης πως οι επικοινωνίες V2V και V2I με σκοπό την ανταλλαγή χρονικά κρίσιμων για την ασφάλεια εφαρμογών, θα χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο επικοινωνίας IEEE p, παρέχοντας με αυτόν τον τρόπο αξιόπιστη, γρήγορη, ασφαλής και με χαμηλό κόστος επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων και της υποδομής. Το Sintech για τον έλεγχο των καναλιών, τα επίπεδα ισχύος, τους ρυθμούς δεδομένων και την κατά προτεραιότητα πρόσβαση, υιοθετεί τις προδιαγραφές όπως ορίζονται στο p πρότυπο στην ζώνη των GHz. 4) SP4-SCOVA: προσπαθεί να καθορίσει ένα γενικό πλαίσιο εφαρμογών που αφορούν την ασφάλεια των οχημάτων, κυρίως (αλλά όχι αποκλειστικά) για V2V επικοινωνία. Σε συνδυασμό με το SP5 προσπαθεί να αυξήσει την ασφάλεια των οχημάτων και να βελτιώσει το εύρος, την ποιότητα και την αξιοπιστία των πληροφοριών. Επίσης μελετά την ανάπτυξη νέων εφαρμογών ασφάλειας που θα βασίζονται στα δεδομένα των αισθητήρων επί του οχήματος αλλά και από πληροφορίες των συνεργατικών συστημάτων. 83

84 5) SP5-COSSIB: αντίστοιχα με το SCOVA μελετά την συμβολή της υποδομής για την ασφάλεια των οχημάτων σε μία V2I επικοινωνία. Στα κέντρα δοκιμών που αναφέραμε παραπάνω εξετάζεται επί της ουσίας η συνεργασία του πρωτοκόλλου p με την ήδη υπάρχον υποδομή δικτύου για την αύξηση της ασφάλειας των οχημάτων. 6) SP6-BLADE: σκοπός του είναι να αναπτύξει ένα σχέδιο ανάπτυξης της τεχνολογίας Car2Car από επιχειρηματική άποψη. Ουσιαστικά προσπαθεί να προσδιορίσει τις ευθύνες των ενδιαφερόμενων φορέων, καταστρώνοντας μια οικονομικά προσιτή στρατηγική ανάπτυξης τεχνολογιών για την ασύρματη πρόσβαση σε περιβάλλοντα οχημάτων. 7) SP7-SCORE: στόχος του είναι να ορίσει μία βασική αρχιτεκτονική, ώστε να χρησιμοποιηθεί ως σημείο αναφοράς σε όλη την Ευρώπη. 8) SP8-HOLA: στόχος του είναι ο γενικός συντονισμός του SAFESPOT και των υποέργων του και η αξιολόγηση των επιμέρους αποτελεσμάτων αυτών. Κεφάλαιο 7: Πρωτόκολλα Δρομολόγησης Ένα ακόμη σημαντικό στοιχείο για την επίτευξή του QoS στα VANET είναι ότι η επικοινωνία δύο οχημάτων επηρεάζεται έντονα από τα ποσοστά επιτυχούς μετάδοσης μεταξύ των ενδιάμεσων κόμβων. Αυτό σημαίνει πως όταν χρειάζεται να επικοινωνήσουν δύο οχήματα μέσω ενδιάμεσων οχημάτων, πρέπει τα πρωτόκολλα να διαθέτουν έναν αξιόπιστο αλγόριθμο δρομολόγησης των πακέτων για την ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης. Έχουν αναπτυχθεί και προταθεί παρά πολλοί αλγόριθμοι δρομολόγησης για τα δίκτυα VANET και μερικοί εξ αυτών εφαρμόζονται ήδη σε δίκτυα MANET [52], αλλά ακόμη οι έρευνες σε αυτόν τον τομέα των VANET είναι ακόμη υπό εξέταση, καθώς δεν υπάρχει κάποιος κοινά αποδεκτός αλγόριθμος δρομολόγησης για τα δίκτυα οχημάτων. 7.1 Ταξινόμηση αλγορίθμων δρομολόγησης Στην κατηγορία Reactive τα πρωτόκολλα δρομολόγησης χρησιμοποιούν την πληροφορία που υπάρχει στο δίκτυο σχετικά με τα links (συνδέσεις) μεταξύ των κόμβων για να εκτελέσουν τις λειτουργίες τους δηλαδή εγκαθιστούν διαδρομές αφού εμφανιστεί πρώτα ένα πακέτο προς αποστολή, αντίθετα με τα Proactive πρωτόκολλα στα οποία οι κόμβοι εγκαθιστούν διαδρομές, ανταλλάσσοντας μηνύματα, και διατηρούν πίνακες όπου αποθηκεύουν τις διαδρομές που πρέπει να ακολουθήσει ένα πακέτο[43]. Οι δύο αυτές τεχνικές δρομολόγησης μπορεί να υποστηρίζουν ένα δίκτυο ad hoc, όμως στα VANET με τη δυναμική τοπολογία και κινητικότητα των οχημάτων, συχνά προκαλείται κατάρρευση των διαδρομών και απαιτείται από την αρχή η ίδια διαδικασία. Αυτό έχει ως συνέπεια την σημαντική μείωση της απόδοσης του δικτύου. Παραδείγματα τέτοιων αλγορίθμων είναι: AODV(Ad hoc On Demand Distance Vector) DSR (Dynamic Source Routing) TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm) 84

85 Στην κατηγορία της Position Based δρομολόγησης [44] τα πρωτόκολλα προσπαθούν να εκμεταλλευτούν την κίνηση των οχημάτων που ακολουθεί συγκεκριμένες κατευθύνσεις (οδικό δίκτυο). Κατά την προώθηση λοιπόν των πακέτων, «προβλέπουν» αυτό το χαρακτηριστικό κάνοντας χρήση πληροφοριών γεωγραφικού περιεχομένου είτε από χάρτες του οδικού δικτύου είτε από μοντέλα κίνησης οχημάτων είτε ακόμη και από συσκευές πλοήγησης. Αντιθέτως στην κατηγορία της Cluster Based δρομολόγησης δημιουργείται μία εικονική δομή δικτύου με την ομαδοποίηση των κόμβων. Σε κάθε σύμπλεγμα ορίζεται ένας κόμβος ως η κεφαλή της ομάδας και αυτός είναι υπεύθυνος να συντονίζει εσωτερικές και εξωτερικές λειτουργίες δρομολόγησης της ομάδας. Οι κόμβοι που ανήκουν στην ίδια ομάδα επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους, ενώ η επικοινωνία κόμβων διαφορετικών ομάδων γίνεται μέσω των κεφαλών των αντίστοιχων ομάδων [45]. Οι τεχνικές ομαδοποίησης (cluster based) δεν εμφανίζουν ιδιαίτερα καλή απόδοση στα VANET λόγω της συνεχούς και γρήγορης αλλαγής θέσης των οχημάτων που οδηγεί σε συχνή διάσπαση και επανασχηματισμό των ομάδων. Παραδείγματα τέτοιων αλγορίθμων είναι: GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing) GPCR (Greedy Perimeter Coordinator Routing) GSR (Geographic Source Routing) COIN (Clustering for Open Inter-vehicular communication Networks) 7.2 VSRP (Vehicular Security through Reputation and Plausibility checks) Ο αλγόριθμος VSRP[46] που δημοσιεύτηκε τον Δεκέμβριο του 2010, είναι από τους πρώτους αλγόριθμους που σχετίζονται αποκλειστικά με την ασφάλεια των ασύρματων δικτύων VANET με δύο βασικούς στόχους: την δρομολόγηση των πακέτων χωρίς απώλειες και μεγάλες συναθροίσεις και την ορθή αντιμετώπιση περιστατικών επιθέσεων, όπως ψευδή ανακοίνωση ή τροποποίηση γεγονότος. Ο αλγόριθμος VSRP για να πετύχει τον σκοπό του, λαμβάνει υπόψη τρεις τύπους κυκλοφοριακών γεγονότων: κυκλοφοριακή συμφόρηση, ατυχήματα και επιτακτικό φρενάρισμα. Αυτά είναι τα βασικότερα περιστατικά που μπορούν να θέσουν σε μεγάλο κίνδυνο την ασφάλεια των επιβατών. Η βασική ιδέα του αλγορίθμου είναι ο κάθε κόμβος να διατηρεί έναν πίνακα εμπιστοσύνης ο οποίος περιέχει τον βαθμό εμπιστοσύνης έναντι των υπολοίπων κόμβων της περιοχής του που ονομάζεται και μετρητής «φήμης». Οι αισθητήρες χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την ανίχνευση, αλλά επίσης για την απομόνωση των κακόβουλων κόμβων που υπάρχουν στο δίκτυο. Ο μετρητής παίρνει τιμές από 0 έως 4, όπου το 0 είναι η χαμηλότερη αξία εμπιστοσύνης και εάν ανιχνευτεί μια ύποπτη συμπεριφορά τότε μειώνεται κατά 1 για τον αντίστοιχο κόμβο. Επιπλέον προτείνεται αυτός ο βαθμός εμπιστοσύνης να μεταβιβάζεται μέσω των Αρχών Έκδοσης Πιστοποιητικών από περιοχή σε περιοχή ώστε να είναι πάντα διαθέσιμος από όλα τα οχήματα. Ο αλγόριθμος VSRP αποδείχθηκε μέσα από προσομοιώσεις για διάφορα σενάρια κίνησης ότι είναι αρκετά αποτελεσματικός [47]. 85

86 7.3 Δυσκολίες και εμπόδια στην δρομολόγηση VANET Ο σχεδιασμός ενός ισχυρού αλγορίθμου δρομολόγησης πρέπει να λαμβάνει υπόψη τα πιθανά προβλήματα που συναντάμε στα περιβάλλοντα οχημάτων: Εξαιρετικά μεταβαλλόμενη τοπολογία: αυτό προκύπτει, όπως έχουμε προαναφέρει, λόγω των υψηλών ταχυτήτων που αναπτύσσουν τα οχήματα που αποτελούν και τους κόμβους ενός δικτύου VANET. Συνδεσιμότητα: η δυναμική τοπολογία των VANET έχει ως αποτέλεσμα την μικρής διάρκειας σύνδεση και τις συχνές αποσυνδέσεις της επικοινωνίας δύο οχημάτων που ανταλλάσσουν πληροφορίες. Το πρόβλημα επιδεινώνεται περαιτέρω λόγω της πυκνότητας των οχημάτων, αφού ο αλγόριθμος δρομολόγησης πρέπει να αντιμετωπίσει περιοχές με πυκνή αλλά και αραιή κυκλοφοριακή κατάσταση. Μή ύπαρξη υποδομής: στα δίκτυα VANET η ύπαρξη καθοδόν μονάδων παίζει πολύ σημαντικό ρόλο για την διείσδυση του δικτύου και κατ επέκταση της διαδικασίας δρομολόγησης των πακέτων. Ιδίως όσον αφορά στην διαβίβαση μηνυμάτων σχετικά με την ασφάλεια, η ύπαρξη καθοδόν μονάδων είναι καθοριστικής σημασίας. Φυσικά εμπόδια: ένα ακόμη σημαντικό πρόβλημα για την διαδικασία δρομολόγησης, αποτελεί η ύπαρξη φυσικών εμποδίων όπως δέντρα, κτήρια ή ακόμη και η παρεμβολή ή η εξασθένιση του σήματος από άλλα οχήματα. Επεκτασιμότητα: Ο μέσος χρόνος ζωής ενός οχήματος υπερβαίνει τα χρόνια. Αυτό σημαίνει πως τα πρωτόκολλα επικοινωνίας πρέπει να είναι σε θέση να αναβαθμίζονται σύμφωνα με τις νέες προκύπτουσες τεχνολογίες ώστε τα οχήματα να μπορούν να επικοινωνούν. Όρια ισχύς: πρέπει να είναι σε θέση να μεταβάλλει τα όρια ισχύς της κεραίας του, αναλόγως με τις συνθήκες του περιβάλλοντος του οχήματος, πχ αραιή ή πυκνή κυκλοφοριακή κατάστασή, ώστε και να εξασφαλίζει ότι ο οδηγός θα λάβει τις απαραίτητες πληροφορίες αλλά και να αποφύγει τις παρεμβολές. 7.4 Πλεονεκτήματα στον σχεδιασμό αλγορίθμων δρομολόγησης Ένα δίκτυο οχημάτων διακρίνεται από μερικά υπαρκτά χαρακτηριστικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πλεονεκτήματα για τον σχεδιασμό ενός ισχυρού αλγορίθμου δρομολόγησης [48]. Αυτά είναι: Μοτίβο κινητικότητας: τα οχήματα υπόκεινται σε ένα συγκεκριμένο πρότυπο κινητικότητας, καθώς η κίνησή τους οριοθετείται από το οδικό δίκτυο, τις ρυθμιστικές πινακίδες κυκλοφορίας, τα φανάρια και τα όρια ταχύτητας. Βάση αυτών των μπορεί να προβλεφθεί η οδηγική συμπεριφορά των οδηγών καθώς και η κίνηση των οχημάτων με αποτέλεσμα την διευκόλυνση στον σχεδιασμό των αλγορίθμων δρομολόγησης. Απεριόριστη ισχύς μπαταρίας και χώρου αποθήκευσης: λόγω της φύσης των οχημάτων, τα προβλήματα εξοικονόμησης ενέργειας και περιορισμένης υπολογιστικής ισχύς που συναντάμε σε άλλα ασύρματα δίκτυα, όπως τα δίκτυα αισθητήρων, παύουν να ισχύουν. Αυτό αποτελεί σημαντικό στοιχείο στον σχεδιασμό ενός αλγορίθμου δρομολόγησης για VANET. Ενσωματωμένοι αισθητήρες: οι μεγαλύτερες αυτοκινητοβιομηχανίες πλέον εξοπλίζουν τα οχήματά τους με ειδικούς αισθητήρες και συστήματα πλοήγησης, όπως το GPS, κατά την κατασκευή τους. Αυτό αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα στον σχεδιασμό ενός αλγορίθμου δρομολόγησης καθώς μπορούν να παρέχουν χρήσιμες πληροφορίες για τον σκοπό της δρομολόγησης, όπως η ταχύτητα και η θέση του οχήματος. 86

87 Κεφάλαιο 8: QoS και Ασφάλεια σε δίκτυα VANET Ο όρος Quality Of Service (QoS) αναφέρεται στους μηχανισμούς ελέγχου των πόρων ενός συστήματος, ορίζοντας διαφορετικές προτεραιότητες για τις διαφορετικές εφαρμογές ή τις ροές των δεδομένων. Τα βασικότερα χαρακτηριστικά που εξασφαλίζουν ένα αποδεκτό επίπεδο ασφάλειας και βελτιστοποίησης του QoS στα οδικά δίκτυα επικοινωνιών είναι [49][50]: Bit Rate: ο ρυθμός μετάδοσης των δεδομένων πρέπει να είναι υψηλός Communication duration: η διάρκεια της επικοινωνίας λόγω της δυναμικής φύσης των οχημάτων μπορεί να αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα. Καθυστέρηση δεδομένων: το δίκτυο πρέπει να ελαχιστοποιεί τον χρόνο που χρειάζονται τα δεδομένα να φτάσουν από την πηγή τον προορισμό. Jitter: τα πακέτα ενός μηνύματος φτάνουν με διαφορετικές καθυστερήσεις από την πηγή στον προορισμό. Αυτήν η απόκλιση των καθυστερήσεων είναι γνωστή ως Jitter και μπορεί να επηρεάσει σοβαρά την ποιότητα ροής ήχου ή βίντεο. Απώλεια πακέτων: διάφοροι λόγοι μπορεί να αποτελέσουν αιτία απώλειας πακέτων που ενδεχομένως μπορεί να προκαλέσει σοβαρές καθυστερήσεις στην συνολική μετάβαση ενός μηνύματος. Bit Error Rate (BER): είναι ο λόγος των σφαλμάτων προς τον συνολικό αριθμό των δεδομένων (Bit) που μεταδίδονται κατά την διάρκεια ενός ορισμένου χρονικού διαστήματος. Είναι εμφανές πως για να πετύχουμε την μέγιστη απόδοση του δικτύου και του QoS πρέπει το BER να τείνει προς το μηδέν. Εγγυήσεις Πραγματικού Χρόνου: λόγω της ειδικής φύσης του περιβάλλοντος των VANET, όπως υψηλή κινητικότητα και δυναμική τοπολογία, τα χρονικά παράθυρα των οδικών επικοινωνιών θα πρέπει να είναι ιδιαίτερα μικρά. Το δίκτυο πρέπει να εγγυάται την παράδοση των μηνυμάτων και ιδιαίτερα των ευαίσθητων δεδομένων, όπως τα δεδομένα φωνής και βίντεο, σε πραγματικό χρόνο. Λόγω του ταχέως μεταβαλλόμενου περιβάλλον των VANET η εκπλήρωση αυτών των απαιτήσεων καθίσταται αναγκαία. Υπάρχουν δύο κύριες κατηγορίες εφαρμογών που η απαίτησή τους για QoS είναι τελείως διαφορετική: Εφαρμογές με γνώμονα την Ασφάλεια (χρονικά ευαίσθητες): αφορούν επί των πλείστον εφαρμογές πραγματικού χρόνου που παρέχουν μηνύματα ζωτικής σημασίας και διαχείρισης της κυκλοφορίας. Τα μηνύματα αυτά συνήθως περικλείονται σε πακέτα μικρού μεγέθους. Το δίκτυο πρέπει να είναι σε θέση να παραδώσει αυτά τα μικρά πακέτα δεδομένων με υψηλή αξιοπιστία και με την ελάχιστη δυνατή καθυστέρηση. Αυτές οι εφαρμογές ονομάζονται διεθνώς ως Ευφυή Συστήματα Εφαρμογών. Εφαρμογές με γνώμονα την Υπηρεσία (χρονικά μή ευαίσθητες): σε αντίθεση με τις εφαρμογές ασφαλείας, ο κύριος στόχος των εφαρμογών με γνώμονα την υπηρεσία είναι να μεγιστοποιηθεί η ποσότητα των δεδομένων που λαμβάνει κάθε όχημα. Τέτοιες εφαρμογές σχετίζονται κυρίως με ταξιδιωτικές πληροφορίες ή με παροχή σύνδεσης στο Internet. Το δίκτυο πρέπει να παρέχει ικανοποιητική διάρκεια σύνδεσης για την μεταβίβαση του απαιτούμενου όγκου δεδομένων. Από τα παραπάνω είναι εμφανές πως η ποιότητα των υπηρεσιών στα δίκτυα VANET προϋποθέτει των συνδυασμό δύο βασικών στοιχείων: 1 ον την αξιόπιστη παράδοση δεδομένων και 2 ον την μέγιστη δυνατή διάρκεια σύνδεσης. 87

88 Η ανάγκη για QoS στα VANET πηγάζει κυρίως από το γεγονός ότι πρέπει να διασφαλίζεται ως έναν μεγάλο βαθμό η αξιόπιστη επικοινωνία μεταξύ των οχημάτων για την υποστήριξη των εφαρμογών ασφαλείας που ως βασικό στόχο έχουν να ελαχιστοποιήσουν τα τροχαία ατυχήματα. Μελέτες ανά τον κόσμο έχουν δείξει ότι τα τροχαία δυστυχήματα ενάγονται από τις πρώτες αιτίες θνησιμότητας ιδίως στις προηγμένες χώρες και την πρώτη αιτία για τραυματισμούς. Μόνο στους ευρωπαϊκούς δρόμους κάθε χρόνο πεθαίνουν περίπου άτομα και 1.7 εκατομμύρια άτομα τραυματίζονται. Εκτός από ανθρώπινη σκοπιά υπάρχει και ένα τεράστιο κοινωνικό και οικονομικό κόστος που αγγίζει περίπου τα 160 δισεκατομμύρια ευρώ. Η Ελλάδα δυστυχώς κατατάσσεται από τις πρώτες θέσεις μοιραίων ατυχημάτων στην Ευρώπη σε σχέση με τον πληθυσμό της (σχεδόν διπλάσιο από τον μέσο όρο της Ευρώπης) και ακόμη πιο τραγικό είναι πως τα θύματα είναι κυρίως νεαρής ηλικίας. Αδιαμφισβήτητα λοιπόν η οδική ασφάλεια αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα κοινωνικοοικονομικά ζητήματα σε όλο τον κόσμο. Το σημαντικότερο πρωτόκολλο επικοινωνίας που έχει αναπτυχθεί για την εκπλήρωση αυτών των στόχων είναι το IEEE p και σε συνεργασία με τους μεγαλύτερους κατασκευαστές αυτοκινήτων, έχουν ως βασικό στόχο την επίτευξη την οδικής ασφάλειας και την βελτιστοποίηση της κυκλοφορίας μέσω ενδοεπικοινωνιών μεταξύ των οχημάτων. Τα συστήματα που υποστηρίζουν το πρότυπο αυτό, μέσω ειδικών συσκευών τοποθετημένων στα οχήματα (OBU) αλλά και σε καθοδόν μονάδες (RSU), συλλέγουν και ανταλλάσσουν δεδομένα, που προειδοποιούν τους οδηγούς των οχημάτων για επικείμενες επικίνδυνες καταστάσεις. Τα συστήματα αυτά παράγουν είτε οπτικά, είτε ηχητικά μηνύματα, τα οποία μπορούν να γίνουν εύκολα και γρήγορα αντιληπτά από τους οδηγούς. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις παραμέτρους, το Ινστιτούτο Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών στην Αμερική ανέπτυξε μία ισχυρή ομάδα πρωτοκόλλων, την ονομαζόμενη IEEE Για να αντιμετωπιστούν τα ειδικά χαρακτηριστικά των οχημάτων αναπτύχθηκε το πρότυπο IEEE p/WAVE το οποίο αποδίδει ένα ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης QoS. Οι προκλήσεις για την εξασφάλιση του QoS σε δίκτυα VANET υπόκεινται σε ορισμένους περιορισμούς, οι κυριότεροι από τους οποίους είναι: η δυναμική τοπολογία του δικτύου λόγω της υψηλής κινητικότητας των οχημάτων, η έλλειψη κεντρικού συντονιστή, η περιορισμένη διαθεσιμότητα πόρων του δικτύου ακόμη και οι διάφοροι φυσικοί περιορισμοί όπως η εξασθένιση του σήματος και οι παρεμβολές, Επίσης σημαντικό ρόλο για την επίτευξη του QoS σε δίκτυα VANET παίζουν οι μηχανισμοί θωράκισης από τις διάφορες απειλές και επιθέσεις εναντίων της ασφάλειας των οχημάτων και κατά συνέπεια εναντίων ολόκληρου του δικτύου. Αυτό στην πράξη είναι αρκετά δύσκολο, διότι οι προαναφερθέντες περιορισμοί σε συνδυασμό με την χρήση ασύρματων μέσων διάδοσης καθιστούν τα VANET ευάλωτα σε επιθέσεις που εκμεταλλεύονται τις ασύρματες επικοινωνίες [58]. 88

89 8.1 Εξοπλισμός των οχημάτων Τα οχήματα εκτός από την κύρια εγκατάσταση (Communication Facility) που υποστηρίζει τα πρωτόκολλα και τις λειτουργίες της επικοινωνίας, είναι απαραίτητο να διαθέτουν κάποιο σύστημα εντοπισμού θέσης, όπως το GPS και να είναι εξοπλισμένα με ειδικούς αισθητήρες, όπως Front & Rear Radar, που συλλέγουν πληροφορίες από το περιβάλλον του οχήματος που συνήθως είναι μή αντιληπτές από τους οδηγούς και συμβάλουν στην έγκαιρη προειδοποίηση του οδηγού σε μία επικίνδυνη κατάσταση. Οι πληροφορίες αυτές με την βοήθεια υπολογιστικών μονάδων καταγράφονται από ειδικά συστήματα όπως το EDR (Event Data Recorder), η λειτουργία του οποίου είναι παρόμοια με τα μαύρα κουτιά των αεροπλάνων [58]. Βασικός Εξοπλισμός Έξυπνων Οχημάτων Εικόνα Ανακεφαλαιοποίηση Η υλοποίηση ενός δικτύου VANET απαιτεί την συνεργασία των διαφόρων μελών που λαμβάνουν χώρα, όπως κατασκευαστές αυτοκινήτων και οχημάτων, προμηθευτές τεχνολογιών, ερευνητικά κέντρα και ακαδημαϊκά ιδρύματα και φυσικά τα κράτη και οι ίδιοι οι οδηγοί των οχημάτων. Πρωταρχικός στόχος των δικτύων αυτών είναι μεγιστοποίηση της ασφάλειας στους δρόμους και η ελαχιστοποίηση των τροχαίων ατυχημάτων. Για τον σκοπό αυτό έχουν αναπτυχθεί διάφορα πρωτόκολλα υποστήριξης επικοινωνίας σε περιβάλλοντα οχημάτων. Το πρότυπο που έχει κυριαρχήσει σε αυτόν τον τομέα είναι το IEEE p ή αλλιώς WAVE (με τις επεκτάσεις της οικογένειας προτύπων IEEE 1609). Το πρότυπο αυτό λαμβάνει υπόψη όλες τις απαιτήσεις Ασφάλειας και Ποιότητας των Υπηρεσιών των VANET και προσφέρει ένα ολοκληρωμένο σύνολο τεχνικών και μεθόδων. Τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει μεγάλα βήματα προόδου στον τομέα της ασφάλειας στα δίκτυα VANET. Το κυρίαρχο πρότυπο που καθιερώθηκε είναι το IEEE p και η εξέλιξη αυτού, το WAVE το οποίο παρέχει μια πολυεπίπεδη αρχιτεκτονική για χρήση στην Αποκλειστική Επικοινωνία Μικρής Εμβέλειας (DSRC) μπάντα. Το WAVE καθορίζει σε γενικά πλαίσια, την αρχιτεκτονική, τις υπηρεσίες, τις διασυνδέσεις και την ασφάλεια στην ανταλλαγή μηνυμάτων. Επιπλέον αποτελεί την βάση για την δημιουργία εφαρμογών για VANET, που εκτός των άλλων δραστηριοποιούνται σε διάφορους τομείς όπως οδική ασφάλεια, διαχείριση της ροής της κυκλοφορίας, ελαχιστοποίηση της συμφόρησης και του δικτύου, βελτιωμένη πλοήγηση, αυτόματη πληρωμή διοδίων και ψυχαγωγίας. 89