Disruption Tolerant Vehicular Communication in Public Transportation Systems

Doering, Michael

Kommunikationssysteme leisten einen wichtigen Beitrag zum effizienten Betrieb des öffentlichen Personennahverkehrs. Seit einigen Jahren wird dabei der Sprechfunk zunehmend durch asynchronen M2M-Datenfunk ergänzt und in vielen Anwendungsgebieten sogar vollständig ersetzt. Die Kombination aus unterbrechungstoleranten Netzwerken und lizenzfreien Drahtlostechnologien birgt ein erhebliches Potential zur Reduzierung von Infrastrukturinvestitionen und Betriebskosten, da für diese Anwendungen eine dauerhafte Ende-zu-Ende Verbindung nicht mehr erforderlich ist. In dieser Arbeit wird die Machbarkeit eines solchen Systems untersucht und belegt. Zunächst werden dazu Anwendungsfälle vorgestellt und deren Anforderungen an das Kommunikationssystem analysiert. Dann werden die Kanalcharakteristika mehrerer WLAN-Technologien im realen ÖPNV-Umfeld experimentell ermittelt und bewertet. Auf Grundlage der erfolgversprechenden Ergebnisse werden im nächsten Schritt die besonderen Mobilitätseigenschaften von ÖPNV-Netzen untersucht. Zu diesen Zweck analysieren wir existierende und eigene, neu aufgezeichnete Bewegungsdaten von ÖPNV-Fahrzeugen. Unsere Daten enthalten dabei zusätzliche Metadaten der Verkehrsbetriebe, die zuvor nicht verfügbar waren, so dass wir unerwartete Effekte beschreiben und erstmals quantifizieren können. Anschließend werden die Bewegungsdaten mit den zuvor experimentell erfassten Kanaleigenschaften kombiniert, um so die Kommunikationskontakte zwischen den Fahrzeugen genauer zu betrachten. Wir stellen die statistische Verteilung der situationsabhängigen Kontaktereignisse vor, sowie den Einfluss der Funkreichweite auf die Kontaktkapazität. Dann werden die Ergebnisse aller vorhergehenden Schritte verwendet, um ein neues, optimiertes Routingverfahren für ÖPNV-Netze vorzuschlagen. In der simulationsbasierten Evaluation belegen wir, dass dieser Router die Leistung bisher bekannter Verfahren übertrifft.

Communication systems play an important role in the efficient operation of public transport networks. Recently, traditional voice-centric real-time communication is complemented and often replaced by data-centric asynchronous machine-to-machine communication. Disruption tolerant networking in combination with license-exempt high bandwidth technologies have the potential to reduce infrastructure investments and operating costs for such applications, because a continuous end-to-end connectivity is no longer required. In this thesis the feasibility of such a system is investigated and confirmed. First, realistic use-cases are introduced and the requirements to the communication system are analyzed. Then the channel characteristics of several WLAN-based technologies are experimentally evaluated in real public transport scenarios. Since the results are promising, the next step is gaining a deeper understanding of the special mobility properties in public transport networks. Therefore, we analyze existing traces as well as our own newly acquired trace. Our trace features additional operator meta-data that is not available for existing traces, and we report on unexpected properties that have not been quantified before. Then the trace is combined with the experimentally obtained channel parameters in order to analyze the characteristics of inter-vehicle contacts. We present the statistical distribution of situation-specific contact events and the impact of radio range on contact capacity. Then results of all steps above are used to propose a routing scheme that is optimized for public transport networks. In the final simulation-based evaluation we show that this router outperforms previously proposed algorithms.

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Doering, Michael: Disruption Tolerant Vehicular Communication in Public Transportation Systems. 2012.

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