Dopravně-telematický komunikační modul – DOTEK

• Foto

Projekt DOTEK probíhal od srpna 2007 do prosince 2009 a byl ukončen vytvořením pilotní implementace vytvořeného modulu. Jádrem komunikačního modulu je vlastní sledování stavu jednotlivých technologií a aplikačních požadavků, na jejichž základě pak rozhodovací algoritmus provádí výběr optimální technologie v aktuálním čase a situaci pro danou aplikaci. Aplikační požadavky jsou charakterizovány souborem minimálních požadavků na komunikační technologie (definice minimálních hodnot sledovaných parametrů). Výsledným efektem tedy docílíme zvýšení hodnot systémových parametrů, jako jsou například spolehlivost, dostupnost, bezpečnost a další. Mezi další výhody tohoto systému patří:

• Větší mobilita – používání aplikace není vázáno na oblast dosahu konkrétní technologie, ale je možné aplikaci používat na různých místech, kde může vždy zvolit lokálně dostupnou technologii.
• Větší flexibilita – aplikace dokáže komunikovat přes různé technologie a není tedy vázána na jednu konkrétní. V situacích, kdy není k dispozici signál jedné technologie, respektive je kvalita této služby již nevyhovující, může aplikace plynule přejít na používání technologie jiné.
• Efektivní využití dostupných technologií – je možné využít vždy tu technologii, která je za aktuálních podmínek nejvýhodnější (optimální).
• Preference některých technologií – uživatel systému může preferovat použití některých technologií před jinými, pokud má na výběr.

CÍLE PROJEKTU
Hlavním cílem projektu DOTEK je návrh systému vycházejícího z filozofie standardu CALM (ISO TC204, WG16.1 “Communications Air-interface for Long and Medium range”). Hlavním rozdílem projektu DOTEK oproti CALM systému je využívání aktuálně dostupných přenosových technologií a přepínání na vrstvě L3, přičemž L2 switching je záležitostí vlastní sítě a není předmětem naší práce. Projekt DOTEK se zaměřuje především na následující oblasti:

• analýza a volba bezdrátových sítí a technologií využitelných v dopravní telematice,
• návrh komplexního managementu těchto technologií, včetně rozhodovacích algoritmů pro výběr optimální technologie,
• zaručení kontinuálního sledování a vyhodnocování kvality jednotlivých technologií/sítí, což je nutná podmínka pro správné rozhodnutí o přepnutí mezi technologiemi,
• splnění definovaných priorit tak, aby byla zajištěna správná činnost telematických aplikací.

OBECNÁ ARCHITEKTURA SYSTÉMU
Obecná architektura DOTEKu vychází z výše uvedených cílů a řešených oblastí. Z důvodu přehlednosti je obecná architektura návrhu rozdělena do čtyř základních bloků, jak je vyobrazeno na následujícím schématu. Jednotlivé bloky jsou vzájemně propojené a každý z nich plní definované funkce nutné pro správné zajištění funkčnosti celého systému DOTEK. Jedná se o následující čtyři funkční bloky (které jsou popsány detailněji níže): management, monitoring, rozhodování a handover.

Jednotlivé bloky obsahují vlastní algoritmy, které jsou popsány detailněji dále v textu.

Management
Blok managementu tvoří jádro celého systému. Z pohledu architektury systému zajišťuje vlastní chod celého systému, synchronizaci vnitřních procesů, shromažďování a správu informací z jednotlivých bloků a kontrolu správné funkčnosti systému.

Monitoring
Blok monitoringu zajišťuje sledování stavu jednotlivých technologií. Dále sleduje definovaným způsobem určené hodnoty performačních indikátorů a provádí jejich statistické vyhodnocení za účelem stanovení pořadí technologií z hlediska jejich kvality. Blok v sobě také obsahuje databázi cen za použití komunikačního média, aktualizovanou v závislosti na aktuálně uzavřených smlouvách s provozovateli sítí (resp. poskytovateli služeb).

Rozhodování
Blok rozhodování zajišťuje vlastní výběr optimálního média dle definovaných požadavků, které jsou stanovené pro každou telematickou aplikaci. Do bloku rozhodování jsou předávány informace o stavu jednotlivých médií (hodnoty jednotlivých parametrů), na jejichž základě je prováděn výběr média (přístupové sítě). Dostupné technologie jsou seřazeny dle vhodnosti použití a výstupem je vhodná technologie vstupující přes blok managementu do bloku handoveru.

Handover
Tento blok zajišťuje vlastní předávání spojení mezi jednotlivými technologiemi na 3. vrstvě modelu OSI, tzv. vertikální handover. Horizontální handover mezi buňkami (na 2. vrstvě modelu OSI) jedné technologie je řešen v rámci samotné technologie a není tímto návrhem jakkoliv ovlivňován. Blok handoveru dostává pokyny z managementu systému a na základě těchto pokynů inicializuje změnu směrování toku dat z jedné technologie na druhou.

Funkční schéma procesu
Návrh systému DOTEK funguje podle schématu znázorněného na obr. č. 2. Když z vnějšího systému, tedy od aplikace, přijde požadavek na komunikaci, včetně minimálních kvalitativních požadavků na přenos (1), vstupuje tento požadavek do bloku managementu. Aktivuje se rozhodovací algoritmus (2), který si vyžádá data o aktuálně dostupných komunikačních technologiích a jejich parametrů (3a). Tato data jsou mu poskytnuta z bloku monitoringu (3b). Na základě těchto přijatých dat rozhodovací algoritmus zvolí nejvhodnější médium pro daný požadavek respektive aplikaci. Tuto informaci přenese zpět do bloku managementu (4) a může dojít k použití zvoleného média pro komunikaci. Přepnutí na zvolené médium obstará blok handover (5, 6).

SLEDOVÁNÍ KVALITY JEDNOTLIVÝCH TECHNOLOGIÍ
Sledované systémové parametry
Významnou součástí systému DOTEK je sledování aktuálních systémových parametrů jednotlivých komunikačních technologií tak, aby bylo možné vyhodnocovat jejich aktuální stav a rozhodovat o jejich vhodnosti použití, dle požadavků konkrétních telematických aplikací. Telekomunikační technologie jsou popsány systémovými parametry:

• Aktivační doba dostupnosti služby
• Dostupnost služby
• Doba mezi dvěma poruchami (MTBF)
• Dobu obnovení služby (MTTR)
• Zpoždění paketů
• Rozptyl zpoždění
• Bezpečnost
• Ztráta paketů
• Propustnost
• Kvalita signálu
  – RSSI (Received Signal Strength Indication)
  – SNR (Signal to Noise Ratio)
  – BER

Ve fázi návrhu a implementace projektu DOTEK jsme zvolili tři základní ukazatele, které dobře charakterizují kvalitu telekomunikační technologie a dají se jednoduše měřit. Jedná se o následující parametry: SNR (poměr signálu k šumu), zpoždění a ztráta paketů. Zároveň jsou pro pilotní implementaci uvažovány následující skupiny telematických aplikací, které využívají telekomunikační technologie pro komunikaci:

• sledování flotily a jiné méně významné sledování vozidel a nákladu (FLEET),
• sledování nebezpečného nákladu a jiných významných vozidel a nákladů (NEBNAK),
• systémy pro výběr mýta (EFC),
• systémy pro komunikaci vozidla s jinými vozidly a infrastrukturou (C2X),
• systémy doplňující služby družicové navigace (NAVIGACE),
• systémy nouzového volání při dopravní nehodě (eCall).

Proces sledování vybraných parametrů
Měření hodnot jednotlivých parametrů probíhá nepřetržitě v bloku monitoring, nezávisle na hodnotícím a rozhodovacím procesu. Hodnoty parametrů jsou měřeny periodicky a vlastní interval (resp. frekvence) měření je dynamicky proměnný. Na obr. 3 je znázorněna ukázka možného průběhu hodnoty parametru, kde je ilustrován zmiňovaný dynamický interval měření. Pokud je hodnota nad varovnou hladinou, je parametr sledován s běžnou definovanou periodou měření. Jakmile se hodnota parametru dostane pod varovnou hladinu, dojde ke zvýšení frekvence měření tak, aby bylo k dispozici větší množství naměřených dat a bylo možné vyhodnotit situaci z většího počtu naměřených hodnot v kratším čase a zajistit tak včasné předání spojení na jinou technologii. Naopak při poklesu parametru pod kritickou hladinu se frekvence měření snižuje. Není zde totiž nutné tento parametr sledovat tak často, jelikož při těchto hodnotách je pro danou aplikaci technologie nepoužitelná. Z uvedeného vyplývá, že jsou definované určité varovné a kritické hladiny parametrů a zároveň i určité minimální požadavky aplikací na jednotlivé hodnoty parametrů, jak již bylo zmíněno v předcházejících částech.

Naměřené hodnoty jsou k dispozici pro blok rozhodování, kde jsou dále zpracovány. Naměřená hodnota každého parametru je zařazena do jedné z pěti úrovní podle své absolutní hodnoty pomocí normovací funkce, určené pro každou technologii a každou provozovanou aplikaci. V rámci první implementace projektu bylo zvoleno právě těchto pět úrovní kvality (obr. 4), pro další využití ale omezení počtu hladin není stanoveno a může jich být definován libovolný počet. Normování hodnot je nezbytné pro porovnání různých technologií, které mají rozdílné vlastnosti. Na obr. 5 je zachycen princip uživatelské preference konkrétní technologie pro libovolnou aplikaci. Preference je určena vhodnou úpravou normovací funkce.

ROZHODOVACÍ ALGORITMUS
Rozhodovací algoritmus zajišťuje vlastní výběr vhodné technologie na základě požadavku konkrétní aplikace na komunikaci, charakterizovaného souborem minimálních hodnot parametrů a aktuálního stavu dostupných telekomunikačních technologií.

Proces rozhodování funguje v několika základních krocích, které se v této části pokusíme obecně popsat. Na počátku algoritmu jsou všechny příchozí požadavky na komunikaci aplikací řazeny do fronty. V této frontě nedochází ke zdržení, protože rozhodovací algoritmus pracuje bez ohledu na aktuálním stavu komunikace. Ve druhém kroku následuje použití filtru technologií, který odstraní z dostupných technologií ty, které nesplňují některé minimální požadavky aplikace a není je proto možné ke komunikaci použít. Pokud jsou v tomto kroku odstraněny všechny aktuálně dostupné technologie, je požadavek ukončen a aplikaci sdělen výsledek požadavku. Ve třetím kroku je dle uživatelské preference rozhodnuto, zda u dané služby je pro uživatele důležitější kvalita komunikačního média nebo cena za jeho použití. Oba tyto parametry jsou v průběhu algoritmu zohledněny, ale s rozdílným významem. Podle volby proběhne seřazení technologií v první řadě podle jednoho z uvedených parametrů a následně, pokud se vyskytnou technologie se stejným odhodnocením, jsou tyto mezi sebou seřazeny dle druhého uvedeného parametru. Výstupem je požadavek na komunikaci s jednoznačně přiřazeným médiem, přes které může služba komunikovat.

PŘEDÁNÍ SPOJENÍ (HANDOVER)
Vlastní předání spojení mezi jednotlivými technologiemi zajišťuje blok handover. Předání spojení mezi technologiemi je označováno jako handover 2. generace, případně někdy je označován také jako vertikální handover. Na obr. 6 je zobrazena ukázka handoveru 1. generace (vlevo), kde dochází k předání spojení v rámci jedné technologie mezi jednotlivými přístupovými body této sítě. Na pravém obrázku je pak ukázka předání spojení pomocí handoveru 2. generace. Dochází zde k předání spojení mezi různými technologiemi, u kterých pak může libovolně docházet i k předání spojení na bázi handoveru 1. generace. Na základě požadavku z bloku managementu zajistí blok handoveru přerušení případné probíhající komunikace, včetně informace o tomto kroku pro management a dále provede inicializaci komunikace po nově zvolené technologii.

ZÁVĚR
Systém dopravně-telematický komunikační modul (DOTEK), který byl řešen od srpna 2007 do prosince 2009 v rámci grantu 2A-2TP1/105 Ministerstva průmyslu a obchodu České republiky (MPO), řeší problematiku komunikace pro telematické aplikace. Jedná se o systém inspirovaný standardy CALM, které řeší využívání více komunikační technologií v rámci jednoho systému. Systém DOTEK zajišťuje výběr nejvhodnější komunikační technologie v daném čase a daném místě, nicméně oproti standardům CALM využívá pouze veřejně dostupné komunikačních technologie a řeší přepínání na 3. vrstě modelu OSI (L3), tedy přepínání mezi jednotlivými technologiemi (handover 2. generace). Svou koncepcí je navržen tak, aby přispěl k plné automatizaci úkonů spojených s komunikací a přinesl zvýšení hodnot významných telematických performačních parametrů, jako je bezpečnost, spolehlivost, dostupnost a další. DOTEK umožňuje využívat různé dostupné komunikační technologie tak, aby byly splněny požadavky jednotlivých telematických aplikací, a to jak na kvalitu telekomunikačního média, tak i požadavky na cenu za použití těchto telekomunikačních technologií. Výběr nejvhodnější telekomunikační technologie pro danou aplikaci v daném čase je uskutečňován pomocí rozhodovacích algoritmů, které ke svému rozhodování využívají dat z kontinuálního sledování a vyhodnocování kvality jednotlivých technologií/sítí. Vlastním výstupem projektu DOTEK pak kromě rozsáhlé dokumentace a návrhu vlastního systému managementu kombinace více komunikačních technologií je i pilotní implementace systému. Tato pilotní implementace systému DOTEK bere při rozhodování v úvahu tři základní parametry telekomunikační technologie – SNR, zpoždění a ztrátu paketů, které jsou snadno měřitelné a vypovídající o vlastnostech sledované technologie. Cílem pilotní implementace bylo dokázání životaschopnosti navržených postupů a jejich vyzkoušení v reálném prostředí, přičemž vytvořený systém v testech bez problémů uspěl a je možné ho dále rozvíjet a integrovat jako nadstavbu pro rozmanité telematické aplikace.

LITERATURA:
[1] Svítek, M.: Architecture of ITS Systems and Services in the Czech Republic, International Conference Smart Moving 2005, Birmingham 2005, England
[2] Svítek, M.: Intelligent Transport Systems – Architecture, Design methodology and Practical Implementation, Key-note lesson, 5th WSEAS/IASME Int. Conf. on Systems Theory and Scientific Computation, Malta 2005
[3] Svítek, M., Zelinka, T.: Communications Solutions for ITS Telematic Subsystems, WSEAS Transactions on Business and Economics, Issue 4 (2006), Vol. 3, pp 361–367, Athens 2006, ISSN 1109-9526
[4] Svítek, M., Zelinka, T.: Communications Environment for Telematic Subsystems, Proceedings of 11th World Multi-Conference on Systemic, Cybernetics and Informatics, Volume II, pp 362-367, IIIS/IFSR, Orlando, FL, USA, ISBN-10: 1-934272-16-7, ISBN-13: 978-1-934272-16-9
[5] Williams, B.: CALM handbook V1.0. Document ISO TC204 WG.16.1 CALM, 2004

Transport And Telematics communication module – DOTEK
Transport and telematics communication module solves the problem of communication for telematics applications. The unit management monitors selected wireless technologies continuously (GSM, WiFi, WiMAX,…) and evaluates their characteristics. At the same time the requirements for communication of individual telematics applications are monitored, including minimum required parameters. The own communication of telematics applications may be switched using decision algorithm between available technologies according to application requirements and current technology possibilities.

Autoři

• Prof. Ing. Zelinka Tomáš CSc.
• Ing. Šrotýř Martin
• Ing. Poupa Petr