WAVE-järjestelmä ja sen verkot

WAVE-järjestelmä koostuu kiinteistä ja liikkuvista yksiköistä. Kiinteät yksiköt ovat liiken-teen infrastruktuuriin integroituja, kun taas liikkuvat yksiköt ovat yleensä ajoneuvoja. Kiin-teistä yksiköistä käytetään englanninkielistä nimitystäRoadside Unit (RSU), joka kuvas-taa suoraan yksiköiden luonnetta. Liikkuvien yksiköiden nimitys on puoleskuvas-taanOnboard unit (OBU). [14] Jatkossa tässä työssä käytetään suomennettuja nimityksiä tienvarsiyk-sikkö ja ajoneuvoyktienvarsiyk-sikkö.

Kuva 3.1.Esimerkkejä erilaisista WAVE-järjestelmän verkoista. [14]

WAVE-järjestelmässä eri yksiköt voivat muodostaa dynaamisesti verkkoja, joissa voi ol-la pelkkiä ajoneuvoyksiköitä tai niiden lisäksi myös tienvarsiyksiköitä kuten kuvassa 3.1.

Tienvarsiyksiköt eivät voi kuitenkaan keskenään muodostaa verkkoja. Oletuksena vies-tintä tapahtuu itsenäisesti yksiköiden välillä määrätyllä kanavalla, mutta ne voivat myös muodostaa pieniä verkkoja. Näitä verkkoja kutsutaan nimellä WAVE Basic Service Set (WBSS). [14] Verkot ja niiden kokoonpanot vaihtuvat jatkuvasti, kun ajoneuvot liikkuvat.

Tienvarsiyksiköt toimivat kiinteinä tiedon välittäjinä ja tallennuspaikkoina ajoneuvoyksi-köiden tukena. Ne voivat olla liikenneopasteisiin, liikennevaloihin, tietulleihin tai muuten tien varrelle sijoitettuja. Tienvarsiyksiköt voivat välittää ajantasaista tietoa kuuluvuusa-lueellaan oleville ajoneuvoille. Ne voivat esimerkiksi seurata tienkäyttöä ruuhkamaksuja varten, ilmoittaa milloin valot vaihtuvat tai tarjota hetkellisen internet-yhteyden. Tienvar-siyksiköiden avulla turvallisuutta parantavaa viestintää voidaan siis laajentaa myös infra-struktuurin puolelle.

3.2 802.11p WAVE-arkkitehtuurissa

WAVE-arkkitehtuurissa fyysinen kerros ja MAC-kerros noudattavat IEEE 802.11p-standar-dia. Lisäksi standardissa on määritelty loogiset hallintafunktiot Physical Layer Manage-ment Entity (PLME) ja MAC Layer ManageManage-ment Entity (MLME), jotka toimivat vastaavilla kerroksilla. Alempien kerrosten päälle päälle on rakennettu dynaamisten verkkojen ja vii-vekriittisen viestinnän mahdollistamiseksi turvallisuus-, resurssinhallinta- ja kanavanhal-lintatoimintoja. Nämä toiminnot kuuluvat IEEE 1609 -standardeihin. [14, 15]

IEEE 802.11p-standardi pohjautuu vanhaan WLAN-lähiverkkostandardiin 802.11a, mutta siihen on tehty muutoksia vaatimusten saavuttamiseksi. Vaatimuksia liikenteen viestinnäl-le lähiverkkoihin verrattuna aiheuttavat esimerkiksi pidempi toimintamatka, ajoneuvojen liikkeen aiheuttamat suuret doppler-siirtymät, merkittävä monitie-eteneminen sekä monta päällekkäistä verkkoa, joiden kaikkien täytyy toimia äärimmäisen luotettavasti. [14]

802.11p on myös OFDM-pohjainen, aivan kuten 802.11a. Vaatimusten saavuttamisek-si merkittävin 802.11-standardiin tehty muutos on puolet pienempi kaistanleveys kuin 802.11a:ssa. 802.11p:ssä kaistanleveys on 10 MHz, kun taas 802.11a:ssa se on 20 MHz.

Puolet pienempi kaistanleveys on saatu aikaan puolta pienemmillä alikantoaaltojen väleil-lä, mikä aiheuttaa myös kaksinkertaisen symbolin keston. Muita suuria eroja ovat muu-tokset lähetystehoissa, käytettävissä taajuuksissa, sekä viestinnän priorisoinnissa. [14, 15] Vaatimusten täyttämiseksi merkittäviä ovat myös 1609-standardien määrittelemät kor-keamman tason toiminnallisuudet. Kuvassa 3.2 on havainnollistettu OSI-malliin sovitettu-na WAVE-arkkitehtuurin eri toimintoja, joita esitellään seuraavaksi.

Kuva 3.2.WAVE-arkkitehtuuri OSI-malliin sovitettuna. Kuvasta näkyy myös mihin standardiin eri toiminnot kuuluvat. [14]

WAVE-arkkitehtuuri tukee kahta eri verkko- ja kuljetuskerroksen protokollayhdistelmää, jotka ovat perinteinen TCP/IP-yhdistelmä sekä erikseen kehitettyWAVE Short-Message Protocol (WSMP). WSMP toteuttaa sekä verkko- että kuljetuskerroksen ja se on tarkoi-tettu korkean prioriteetin turvallisuuspalveluiden viestintään. TCP/IP-yhdistelmä WAVE-arkkitehtuurissa käyttää IPv6-protokollaa, ja se on tarkoitettu kiireettömämpään UDP/TCP-liikenteen välittämiseen. Logical Link Control (LLC) toimii rajapintana näiden eri protokol-layhdistelmien ja alempien kerrosten välillä. Resurssienhallinta ja turvallisuuspalvelut ei-vät ole helposti OSI-malliin sovitettavissa, joten ne on kuvassa jätetty erilleen. Tarkemmin esittelemättä niiden perusidean voi ymmärtää jo nimien perusteella. [14, 15]

Kuvan 3.2 lohkoMultichannel operationmahdollistaa 802.11p MAC-kerroksen toiminnan usealla kanavalla ja ohjaa viestit oikealle kanavalle. WSM-viestit voidaan ohjata joko oh-jauskanavalle (Control channel) tai palvelukanavalle (Service channel), kun taas IP-viestit voidaan ohjataan vain jollekin palvelukanavalle. WAVE-arkkitehtuurissa kanavia käyte-tään aikajakoisesti. Kontrollikanavaa lähetekäyte-tään joka toisessa aikaslotissa ja muita palve-lukanavia käyttötarpeen ja kiireellisyyden mukaan siinä välissä. [15] 802.11p-viestintä on myös priorisoitu IEEE 802.11e EDCA Quality of Service -standardilisäyksen mukaisesti [15, 16]. Siinä jokaisen kanavan viesteille on vielä neljä mahdollista prioriteettiluokitusta AC0−AC3, joistaAC3-luokituksella on korkein prioriteetti [16]. Ohjauskanavalla suurin prioriteetti on aina WSM-viesteillä.

Kuva 3.3.WAVE arkkitehtuurin kanavajako ja taajuudet. [16]

WAVE-arkkitehtuurissa 802.11p voi käyttää eri ajanhetkinä yhteensä seitsemää eri 10 MHz levyistä kanavaa, jotka on esitelty kuvassa 3.3. Niistä keskimmäinen on aikaisemmin mai-nittu ohjauskanava ja loput palvelukanavia. [15, 16] 802.11p:n käyttämä keskitaajuus on 5,9 GHz, joka on jo varattu liikenteen viestintään ympäri maailmaa. 5,9 GHz:n taajuusa-lueella voivat kuitenkin toimia myös muut ajoneuvojen väliseen viestintään tarkoitetut tek-nologiat. [17]

3.3 802.11p-pohjainen ITS-G5 ja C-ITS

Älykkään liikenteen viestintään panostetaan Euroopan unionissa valtavasti, ja Eurooppa-lainen telekommunikaatioalan standardisoimisjärjestö ETSI on määrittänyt Cooperative Intelligent Transport Systems and Services (C-ITS) -alustan, jonka mukaan useamman älykkään liikenteen järjestelmän samanaikainen toiminta mahdollistaa paremman palve-lunlaadun kuin vain yksi järjestelmä. [18] Tähän alustaan kuuluu merkittävänä osana ITS-G5, jonka MAC- ja fyysinen kerros on toteutettu IEEE 802.11p-standardin mukaisesti [11].

C-ITS -alustan on tarkoitus tulevaisuudessa tukea useampaa viestintäteknologiaa, minkä takia ETSI on kehittänyt oman verkkokerroksen protokollan. Tämä protokolla on kehitetty tarkoituksenmukaisesti älykkään liikenteen ympäristöihin ja siitä käytetään nimitystä Geo-Networking. Se on sijaintiin perustuva reititysprotokolla, joka ei vaadi tukiasemia, vaan se toimii dynaamisesti kahden tai useamman laitteen välillä. Jokaisella laitteella on sijain-titaulu, joka ylläpitää naapureiden sijainteja ja jota käytetään pakettien välittämisessä.

[19, 20] Sijaintitaulu toimii siis samaan tapaan kuin reititystaulu perinteisessä TCP/IP-verkossa.

GeoNetworking-protokollalla lähetetyn viestin määränpää voi olla yksi tietty vastaanot-taja (GeoUnicast), jokin laite tietyllä alueella (GeoAnycast), kaikki laitteet tietyllä alu-eella (GeoBroadcast), kaikki laitteet yhden hypyn päässä (single-hop broadcast) tai n-hypyn päässä (topologically-scoped broadcast). Näistä merkittävimpiä ovat single-hop broadcast, jota käytetään CAM eli Cooperative Awareness Message -viestien lähetyk-seen sekä GeoBroadcast, jota käytetään DENM eliDistributed Environment Notification Message-viestien lähettämiseen. [20] CAM-viestit ovat ajoneuvojen lähettämiä tiedottei-ta lähellä oleville laitteille. Ne sisältävät tiedon esimerkiksi sijainnistiedottei-ta ja suunnastiedottei-ta, joiden avulla vastaanottava ajoneuvo voi tehdä päätöksiä siitä, vaikuttaako saatu tieto omaan liikkeeseen. DENM-viestit sisältävät muita hyödyllisiä liikennetietoja, kuten tietoja ruuh-kista, tietöistä, esteistä ja sääilmiöistä eli tilanteista jotka koskevat vain tiettyä aluetta. [21]

Yksittäisen ITS-tukiaseman arkkitehtuuri on havainnollistettu kuvassa 3.4. Alin lohko, ITS Access Technologies, sisältää käytettävät eri fyysiset viestintäkanavat ja niiden siirtoyh-teyskerroksen toiminnot. Lohko on siis eräänlainen rajapinta ulkoiseen viestintään sekä tukiaseman sisäisille signaaleille. Suurin osa viestinnästä on langatonta ja ulospäin suun-tautuvaa. Kuvassa sinisellä katkoviivalla merkitty lohko on ITS Networking and Trans-port. Se sisältää viestintäprotokollat, joilla voidaan viestiä muiden ITS-tukiasemien kans-sa sekä internetiin. Tämä lohko sisältää myös aikaisemmin esitellyn GeoNetworking-protokollan sekä sen kanssa käytettävänBasic Transport-protokollan. Perinteinen TCP/IP-viestintä voidaan välittää GeoNetworking-protokollan avulla, mutta myös suoraan alim-man lohkon kautta fyysisille kanaville. [22]

Kuva 3.4.ITS-aseman arkkitehtuuri sekä verkko- ja kuljetuskerros eriteltynä sinisellä kat-koviivalla. [22]

ITS Facilities -lohko sisältää tukitoimintoja varsinaisia käyttökohteita varten. Se sisältää tietorakenteet tarvittavan tiedon varastoimiseen, laskentaan sekä ylläpitämiseen. Tukia-sema voi saada tietoa ympäristöstään esimerkiksi ajoneuvon sensoreilta sekä viestintä-kanavista muilta laitteilta. Tiedon hallinnan lisäksi Facilities-lohko hoitaa myös kommuni-kaation tukitoimintoja, kuten eri tyyppisten osoitteiden hallintaa ja yhteyksien toiminnan varmistamista. Tämän lisäksi se mahdollistaa ohjelmistopalveluiden lataamisen ja hallin-nan tukiaseman sisällä. Ylimmäisenä oleva ITS Applications -lohko sisältää tukiaseman varsinaiset käyttökohteet eli pääasiassa tieturvallisuuden sekä viihteen mahdollistavan langattoman viestinnän. ITS Management ja ITS Security -lohkot hallinnoivat ja varmen-tavat viestien liikkumista eri kerrosten välillä. [22]

ITS-G5 ja WAVE-standardiperhe ovat perusidealtaan hyvin samankaltaisia, ja toimin-tavarmuus on luultavasti myös samantasoista. Molempien fyysinen viestintäkanava on tällä hetkellä WLAN-standardiin 802.11p pohjautuva. OSI-mallin kerroksiin sovitettuna arkkitehtuurit (kuvissa 3.2 ja 3.4) noudattavat samoja periaatteita. Alin kerros sisältää 802.11p:n sekä sen MAC-kerroksen. Sen päällä on rajapinta, joka välittää eri protokollien viestit. WAVE-arkkitehtuurissa tämä rajapinta on LLC ja sen yläpuolella toimivat protokol-lat ovat WSMP sekä perinteinen TCP/IP. C-ITS-arkkitehtuurissa vastaavana rajapintana toimii GeoNetworking, jonka yläpuolella onBasic Transport -protokolla sekä TCP/IP. Mo-lemmissa arkkitehtuureissa on siis huomioitu tarve erilliselle ajoneuvojen suoran viestin-nän protokollalle, mutta myös perinteiselle internetin tietoliikenteelle.