Modeling and Simulation of Three-Dimensional Vehicular Ad Hoc Networks

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Granting Institution
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Issue Date
2023
Authors
Brummer, Alexander
Editor
Abstract

Vehicle-to-Everything (V2X) communication is a promising technology serving as an important element towards improved safety and efficiency in road traffic. The packet-based simulation of Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) is an indispensable tool for research and development in this field. In the past, various models were presented, which increased the degree of realism achievable with such simulations. Nevertheless, state-of-the-art simulators usually assume a two-dimensional environment only, so that vehicular networks based on many real-world traffic situations cannot be investigated properly. In this thesis, we present extensions and propagation models that facilitate the simulation of three-dimensional VANETs. To deal with obstructions caused by other vehicles and the surrounding terrain, we first describe the implementation of an environmental diffraction model. Also in the absence of obstacles in the direct signal path, adapted considerations are required. Therefore, we introduce an n-ray ground interference model, which can be seen as a generalization of the widely-used two-ray interference model. Furthermore, we add the support of communication across multiple road levels by incorporating a floor attenuation model, and also examine the special case of multi-story parking garages, complemented by the inclusion of 3D antenna patterns. The analyses of several example scenarios show that the presented 3D considerations can lead to significantly differing simulation results in comparison with the conventional simulation approach. Large deviations in the resulting path loss can be observed, which may lead to different, mostly decreased success rates of packet transmissions. As a consequence, the conclusions drawn from simulations with either setup may vary widely. To evaluate our approach, we further tested all of the presented propagation models with the help of extensive measurement studies, which show that the models' outputs are in good agreement with the observed attenuation. Finally, we describe how the available models can be combined for the application in arbitrary, large-scale scenarios by describing a model selector. Furthermore, as the increased level of detail leads to a higher computational complexity, we present several methods to improve the simulation performance.

Abstract

Die Vehicle-to-Everything (V2X)-Kommunikation ist eine vielversprechende Technologie zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz im Straßenverkehr. Die paketbasierte Simulation von Fahrzeug-Ad-Hoc-Netzwerken (VANETs) ist ein unverzichtbares Werkzeug für Forschung und Entwicklung in diesem Bereich. In der Vergangenheit wurden verschiedene Modelle vorgestellt, die den möglichen Realitätsgrad solcher Simulationen erhöhten. Aktuelle Simulatoren gehen jedoch meist nur von einer zweidimensionalen Umgebung aus, sodass Fahrzeugnetzwerke basierend auf vielen realen Verkehrssituationen nicht adäquat untersucht werden können. In dieser Arbeit werden Erweiterungen und Ausbreitungsmodelle vorgestellt, die die Simulation von dreidimensionalen VANETs ermöglichen. Um Hindernisse in Form anderer Fahrzeuge und des Terrains zu berücksichtigen, beschreiben wir zunächst die Implementierung eines Umgebungsbeugungsmodells. Auch im Falle ungestörter Sichtverbindungen sind Anpassungen erforderlich. Daher führen wir ein n-Strahlen-Bodenreflexionsmodell ein, das einer Verallgemeinerung der oft genutzten Zweiwegeausbreitung entspricht. Darüber hinaus betrachten wir die Kommunikation über mehrere Straßenebenen durch die Einbeziehung eines Deckendämpfungsmodells und untersuchen den Spezialfall mehrstöckiger Parkhäuser, ergänzt durch die Einbindung von 3D-Antennenmustern. Die Analysen mehrerer Beispielszenarien zeigen, dass die vorgestellten 3D-Betrachtungen zu deutlich abweichenden Ergebnissen im Vergleich zu konventionellen Simulationen führen können. Es sind große Abweichungen in den resultierenden Pfadverlusten zu beobachten, die zu verschiedenen, meist verringerten Paketankunftsraten führen. Somit können die Schlussfolgerungen aus Simulationen mit beiden Ansätzen stark voneinander abweichen. Um unseren Ansatz zu bewerten, wurden alle vorgestellten Ausbreitungsmodelle mittels umfangreicher Messstudien getestet, die zeigen, dass die Ergebnisse der Modelle gut mit dem beobachteten Pfadverlust übereinstimmen. Schließlich beschreiben wir, wie die verfügbaren Modelle für die Anwendung in beliebigen, großflächigen Szenarien kombiniert werden können, indem wir einen Modellselektor beschreiben. Da der erhöhte Detaillierungsgrad zu einer höheren Rechenkomplexität führt, stellen wir zudem mehrere Methoden zur Verbesserung der Simulationsperformance vor.

DOI
URN
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs