Modelling and Real Deployment of C-ITS by Integrating Ground Vehicles and Unmanned Aerial Vehicles

Abstract

[ES] Para proporcionar un entorno de tráfico vial más seguro y eficiente, los sistemas ITS o Sistemas Inteligentes de Transporte representan como una solución dotada de avances tecnológicos de vanguardia. La integración de elementos de transporte como automóviles junto con elementos de infraestructura como RoadSide Units (RSUs) ubicados a lo largo de la vía de comunicación permiten ofrecer un entorno de red conectado con múltiples servicios, incluida conectividad a Internet. Esta integración se conoce con el término C-ITS o Sistemas Inteligentes de Transporte Cooperativos.

La conexión de automóviles con dispositivos de infraestructura permite crear redes vehiculares conectadas (V2X) vehículo a dispositivos, que ofrecen la posibilidad de nuevos despliegues en aplicaciones C-ITS como las relacionadas con la seguridad. Hoy en día, con el uso masivo de teléfonos inteligentes y debido a su flexibilidad y movilidad, existen varios esfuerzos para integrarlos con los automóviles. De hecho, con el soporte adecuado de unidad a bordo (OBU), los teléfonos inteligentes se pueden integrar perfectamente con las redes vehiculares, permitiendo a los conductores usar sus teléfonos inteligentes como dispositivos de bordo a que participan en los servicios C-ITS, con el objeto de mejorar la seguridad al volante entre otros. Tópico este, que hoy día representa un tema relevante de investigación.

Un problema a solucionar surge cuando las comunicaciones vehiculares sufren inferencias y bloqueos de la señal debidos al escenario. De hecho, el impacto de la vegetación y los edificios, ya sea en áreas urbanas y rurales, puede afectar a la calidad de la señal. Algunas estrategias para mejorar la comunicación vehicular en este tipo de entorno consiste en desplegar UAVs o vehículo aéreo no tripulado (drones), los cuales actúan como enlaces de comunicación entre vehículos. De hecho, UAV ofrece importantes ventajas de implementación, ya que tienen una gran flexibilidad en términos de movilidad, además de un rango de comunicaciones mejorado.

Para evaluar la calidad de las comunicaciones, debe realizarse un conjunto de mediciones. Sin embargo, debido al costo de las implementaciones reales de UAV y automóviles, los experimentos reales podrían no ser factibles para actividades de investigación con recursos limitados. Por lo tanto, los experimentos de simulación se convierten en la opción preferida para evaluar las comunicaciones entre UAV y vehículos terrestres.

Lograr modelos de propagación de señal correctos y representativos que puedan importarse a los entornos de simulación se vuelve crucial para obtener un mayor grado de realismo, especialmente para simulaciones que involucran el movimiento de UAVs en cualquier lugar del espacio 3D. En particular, la información de elevación del terreno debe tenerse en cuenta al intentar caracterizar los efectos de propagación de la señal. En esta tesis doctoral, proponemos nuevos enfoques tanto teóricos como empíricos para estudiar la integración de redes vehiculares que combinan automóviles y UAVs, así mismo el impacto del entorno en la calidad de las comunicaciones. Esta tesis presenta una aplicación, una metodología de medición en escenarios reales y un nuevo modelo de simulación, los cuales contribuyen a modelar, desarrollar e implementar servicios C-ITS. Más específicamente, proponemos un modelo de simulación que tiene en cuenta las características del terreno en 3D, para lograr resultados confiables de comunicación entre UAV y vehículos terrestres.

[CA] Per a proporcionar un entorn de trànsit viari més segur i eficient, els sistemes ITS o Sistemes Intel·ligents de Transport representen una solució dotada d'avanços tecnològics d'avantguarda. La integració d'elements de transport com auto móvils juntament amb elements d'infraestructura com Road Side Units (RSUs) situats al llarg de lav via de comunicació permeten oferir un entorn de xarxa connectat amb multiples serveis, inclusa connectivitat a Internet. Aquesta integració es connex amb el terme C-ITS o Sistemes Intel·ligents de Transport Cooperatius , com ara els automòbils, amb elements d'infraestructura, com ara les road side units (RSU) o pals situats al llarg de la carretera, per a aconseguir un entorn de xarxa que oferisca nous serveis a més de connectivitat a Internet. Aquesta integració s'expressa amb el terme C-ITS, o sistemes intel·ligents de transport cooperatius.

La connexió d'automòbils amb dispositius d'infraestructura permet crear xarxes vehiculars connectades (V2X) vehicle a dispositiu, que ofreixen la possibilitat de nous desplegaments en aplicacions C-ITS, com ara les relacionades amb la seguretat. Avui dia, amb l'ús massiu dels telèfons intel·ligents, i a causa de la flexibilitat i mobilitat que presenten, es fan esforços per integrar-los amb els automòbils. De fet, amb el suport adequat d'unitat a bord (OBU), els telèfons intel·ligents es poden integrar perfectament amb les xarxes vehiculars, permetent als conductors usar els seus telèfons intel·ligents com a dispositius per a participar en els serveis de C-ITS, a fi de millorar la seguretat al volant entre altres. Tòpic est, que hui dia representa un tema rellevant d'investigació.

Un problema a solucionar sorgeix quan les comunicacions vehiculars ateixen inferències i bloquejos del senyal deguts a l'escenari. De fet, l'impacte de la vegetació i els edificis, tant en àrees urbanes com rurals, pot afectar la qualitat del senyal. Algunes estratègies de millorar la comunicació vehicular en aquest tipus d'entorn consisteix a desplegar UAVs o vehicles aeris no tripulats (drones), els quals actuen com a enllaços de comunicació entre vehicles. De fet, l'ús d'UAVs ofereix importants avantatges d'implementació, ja que tenen una gran flexibilitat en termes de mobilitat, a més d'un rang de comunicacions millorat.

Per a avaluar la qualitat de les comunicacions, s'han de realitzar mesures en escenaris reals. No obstant això, a causa del cost de les implementacions i desplegaments reals d'UAV i el seu ús combinat amb vehicles, aquests experiments reals podrien no ser factibles per a activitats d'investigació amb recursos limitats. Per tant, la metodologia basada en simulació es converteixen en l'opció preferida entre els investigadors per a avaluar les comunicacions entre UAV i vehicles terrestres.

Aconseguir models de propagació de senyal correctes i representatius que puguen importar-se als entorns de simulació resulta crucial per a obtenir un major grau de realisme, especialment per a simulacions que involucren el moviment d'UAV en qualsevol lloc de l'espai 3D. En particular, cal tenir en compte la informació d'elevació del terreny per a intentar caracteritzar els efectes de propagació del senyal. En aquesta tesi doctoral proposem enfocaments tant teòrics com empírics per a estudiar la integració de xarxes vehiculars que combinen automòbils i UAV, així com l'impacte de l'entorn en la qualitat de les comunicacions. Aquesta tesi presenta una aplicació, una metodología de mesurament en escenaris reals i un nou model de simulació, els quals contribueixen a modelar, desenvolupar i implementar serveis C-ITS. Més específicament, proposem un model de simulació que té en compte les característiques del terreny en 3D, per a aconseguir resultats fiables de comunicació entre UAV i vehicles terrestres.

[EN] To provide a safer road traffic environment and make it more convenient, Intelligent Transport Systems (ITSs) are proposed as a solution endowed with cutting-edge technological advances. The integration of transportation elements like cars together with infrastructure elements like Road Side Units to achieve a networking environment offers new services in addition to Internet connectivity. This integration comes under the term Cooperative Intelligent Transport System (C-ITS).

Connecting cars with surrounding devices forming vehicular networks in Vehicle-to-Everything (V2X) open new deployments in C-ITS applications like safety-related ones. With the massive use of smartphones nowadays, and due to their flexibility and mobility, several efforts exist to integrate them with cars. In fact, with the right support from the vehicle's On-Board Unit (OBU), smartphones can be seamlessly integrated with vehicular networks. Hence, drivers can use their smartphones as a device to participate in C-ITS services for safety purposes, among others, which is a quite interesting research topic. A significant problem arises when vehicular communications face signal obstructions caused by the environment. In fact, the impact of vegetation and buildings, whether in urban and rural areas, can result in a lower signal quality. One way to enhance vehicular communication networks is to deploy Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) to act as relays for communication between cars, or ground vehicles. In fact, UAVs offer important deployment advantages, as they offer great flexibility in terms of mobility, in addition to an enhanced communications range.

To assess the quality of the communications, a set of measurements must take place. However, due to the cost of real deployments of UAVs and cars, real experiments might not be feasible for research activities with limited resources. Hence, simulation experiments become the preferred option to assess UAV-to- car communications.

Achieving correct and representative signal propagation models that can be imported to the simulation environments becomes crucial to obtain a higher degree of realism, especially for simulations involving UAVs moving anywhere throughout the 3D space. In particular, terrain elevation information must be taken into account when attempting to characterize signal propagation effects. In this research work, we propose both theoretical and empirical approaches to study the integration of vehicular networks combining cars and UAVs, and we study the impact of the surrounding environment on the communications quality. An application, a measurement framework, and a simulation model are presented in this thesis in an effort to model, develop, and deploy C-ITS services. More specifically, we propose a simulation model that takes into account 3D terrain features to achieve reliable UAV-to-car communication results.