Dokument: Inter-Vehicular Communication Simulation based on Cellular Network Traces

Titel:	Inter-Vehicular Communication Simulation based on Cellular Network Traces
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=44930
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20180219-100510-8
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M.Sc. Goebel, Norbert [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,94 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 19.02.2018 / geändert 19.02.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Mauve, Martin [Gutachter] Jun.-Prof. Dr. Graffi, Kalman [Gutachter]
Stichwörter:	cellular network simulation, trace-based simulation, tracing cellular networks, network measurements, available data rate, available bandwidth, available data rate measurement, loss rate, one-way delay measurement, map-matching, coupled simulation, v2x simulation, c2x simulation, ivc simulation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Beschreibungen:	Currently, two competing wireless communication technologies for inter-vehicular communication (IVC) exist: IEEE 802.11p Wireless Local Area Network (Wi-Fi) and cellular network communication. Both technologies feature different network characteristics like diverse available data rates, delays or drop rates. Often it is not clear which communication technology best fits for a specific IVC application. Even the decision if an IVC application is feasible using Wi-Fi or cellular networks is not simple. While Field Operational Tests (FOTs) might be able to answer these questions, they are expensive and time consuming. Thus a simulative approach is desirable to answer these questions and speed up IVC application development. While multiple simulators for IEEE 802.11p exist the situation differs for cellular network simulations as their complexity and diversity make it hard to simulate every aspect of a cellular network. Instead of simulating every tiny aspect of the cellular network we propose to use a trace-based simulation approach to simulate cellular network communication for Vehicle-to-X (V2X) simulations, which solely relies on cellular network measurements conductible by everyone and everywhere. The goal of this thesis is to evaluate the feasibility of trace-based simulation of cellular networks for V2X simulations, and furthermore to develop, evaluate and release a trace-based cellular network simulation model and couple it with a traffic simulator and a V2X application simulator. Pursuing these goals, a number of research questions in the research fields network measurements, map-matching, cellular network simulation and coupling of multiple simulators have to be answered. First, we analyze current state of the art available data rate measurement algorithms and show that neither of them is able to achieve simultaneous high frequency measurements of available data rates, loss rates and one-way delays. As our trace-based simulation model relies on accurate, position-based measurements of these key network characteristics, we thus develop, evaluate and release our own measurement framework, the Rate Measurement Framework (RMF). It uses a heavily modified bulk traffic measurement methodology that, amongst others, incorporates multiple feedback loops between the measurement devices and thus can cope with the fast changing network conditions found in cellular networks. Furthermore, we present our map-matching, aggregation and filtering tool chain. It post-processes the network traces gathered with the RMF, map-matches the measurements onto a road network graph derived from OpenStreetMap (OSM) mapping data and transforms the results into the graph-based structure our cellular network simulation model requires. Following our goal to develop and release a trace-based simulation model for cellular networks, we give an overview on existing cellular network simulators and outline why they are limited to specific scenarios and often require confidential information on the cellular network. Thus we introduce and evaluate our trace-based simulation model first as a prototype and later on as an Objective Modular Network Testbed in C++ (OMNeT++) module, which allows easy integration of our simulation model into existing simulations using the OMNeT++ framework. We reach our final goal by incorporating our OMNeT++ module into a fully-fledged coupled simulation environment, V2X Simulation Runtime Infrastructure (VSimRTI). We demonstrate the usability of our simulation tool chain by simulating the Emergency Warning Application (EWA) defined by the European Telecommunications Standards Institute (ETSI) with the help of the simulators Simulation of Urban Mobility (SUMO), V2X application simulator (VSimRTI App) and OMNeT++ with our cellular network simulation module. The simulations use network characteristics measured using the RMF, and post-processed by our map-matching tool chain. We evaluate the performance of EWA, which is defined for Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11p Wi-Fi use, and implement and evaluate a cellular network optimized version of EWA. By simulating the same scenario now using the enhanced EWA version we underline the importance of simulations for V2X application development and show that the modifications significantly raise the performance of EWA. In conclusion, we introduce and evaluate our Rate Measurement Framework, offer our tool chain that map-matches the network traces onto an OSM-based road network graph, propose, implement and evaluate our trace-based simulation model as an OMNeT++ module and incorporate it into the simulation framework VSimRTI. We evaluate our measurement methodology, demonstrate the feasibility of trace-based cellular network simulations and determine the usability of our simulation tool chain. Furthermore, we provide the sourcecode of all software developed by us and used in the papers presented in this thesis (measurements, post-processing, map-matching and the OMNeT++ simulation model) and thus enable everyone to use our simulation tool chain and to build upon our work. Aktuell existieren zwei konkurrierende drahtlose Kommunikationstechnologien für die Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (IVC 2 ): Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11p Wireless Local Area Network (WLAN) und die Kommunikation über Mobilfunknetze. Dabei unterscheiden sich die Netzwerkcharakteristiken, wie verfügbare Datenrate, Paketverlustrate und Latenzen der beiden Technologien. Oft ist nicht direkt ersichtlich, welche Kommunikationstechnologie am besten für die Umsetzung einer spezifischen inter-vehicular communication (IVC) Anwendung geeignet ist. Selbst die Entscheidung, ob eine IVC Anwendung überhaupt sinnvoll über WLAN oder Mobilkommunikation umgesetzt werden kann, ist nicht einfach. Feldtests können diese Fragen möglicherweise beantworten, sind aber teuer und zeitaufwendig. Daher sind Simulationen zur Beantwortung der Fragen sinnvoll und helfen die Anwendungsentwicklung zu beschleunigen. Während mehrere Simulatoren für IEEE 802.11p existieren, ist die Lage bei Mobilfunksimulatoren eine andere, da deren Komplexität und Vielfältigkeit eine Simulation aller Teilaspekte des Mobilfunks erschweren. Anstatt der Simulation aller Details eines Mobilfunknetzes schlagen wir stattdessen einen trace-basierten Simulationsansatz für die Mobilkommunikation für Vehicle-to-X (V2X) Simulationen vor, der einzig auf Netzwerkmessungen des Mobilfunknetzes aufbaut, die jeder überall durchführen kann. Das Ziel dieser Dissertation ist zunächst die Machbarkeit einer trace-basierten Simulation von Mobilfunk für V2X Simulationen zu überprüfen. Darüber hinaus soll ein trace-basiertes Mobilfunksimulationsmodell entwickelt und evaluiert werden und mit einem Verkehrssimulator und einem V2X Anwendungssimulator gekoppelt werden. Um diese Ziele zu erreichen müssen eine Vielzahl an Forschungsfragen aus den Bereichen Netzwerkmessungen, Map-Matching, Simulation von Mobilfunk und Kopplung mehre- rer Simulatoren beantwortet werden. Zunächst analysieren wir aktuelle Messverfahren für verfügbare Datenraten und zeigen, dass keines dieser Messverfahren fähig ist gleichzeitig und mit hoher Messfrequenz Messungen der verfügbaren Datenraten, der Paketverlustraten und der Latenzen durchzuführen. Da unser trace-basiertes Simulationsmodell genaue, positionsbasierte Messungen dieser Kernnetzwerkcharakteristiken benötigt, entwickeln, evaluieren und veröffentlichen wir daher unser eigenes Messframework (Rate Measurement Framework (RMF)). Es benutzt ein stark modifiziertes bulk traffic Messverfahren, das unter anderem mehrere Rückkopplungen zwischen den Messgeräten beinhaltet und daher mit den sich schnell ändernden Netzcharakteristiken in Mobilfunknetzen umgehen kann. Außerdem stellen wir unsere Software zum Map-Matching, der Aggregation und der Filterung dieser Traces vor. Sie verarbeitet die Netzwerkmessungen, die mit dem RMF erstellt werden, projiziert sie auf einen Straßengraphen, den wir aus OpenStreetMap (OSM) Kartendaten erzeugen, und überführt die Daten in eine graph-basierte Struk- tur, die von unserem Mobilfunksimulationsmodell benötigt wird. Zur Erreichung eines weiteren Ziels der Entwicklung und Veröffentlichung eines trace-basierten Mobilfunksimulationsmodells geben wir einen Überblick über existierende Mobilfunksimulatoren und zeigen, warum diese limitiert auf spezielle Szenarien sind und oft vertrauliche Informationen über das Mobilfunknetz benötigen. Anschließend stellen wir unser trace-basiertes Simulationsmodell zunächst als Prototypen und später als Objective Modular Network Testbed in C++ (OMNeT++) Modul vor und evaluieren es. Das OMNeT++ Modul kann einfach in bestehende Simulationen integriert werden, die das OMNeT++ Framework benutzen. Unser finales Ziel erreichen wir durch die Integration unseres OMNeT++ Moduls in die Simulationsumgebung V2X Simulation Runtime Infrastructure (VSimRTI), die mehrere Simulatoren koppelt. Durch die Simulation der von der European Telecommunications Standards Institute (ETSI) definierten V2X Anwendung Emergency Warning Application (EWA) und mit Hilfe der Simulatoren Simulation of Urban Mobility (SUMO), V2X application simulator (VSimRTI App) und OMNeT++ mit unserem Modul zur Simulation von Mobilfunk demonstrieren wir die Nutzbarkeit unserer Simulationsumgebung. Dabei benutzen wir Netzwerkcharakteristiken, die mit dem RMF gemessen und mit unseren Softwaretools nachbearbeitet wurden. Weiterhin analysieren wir die Leistung der für IEEE 802.11p WLAN definierten EWA Anwendung und implementieren und evaluieren eine für Mobilfunkverbindungen optimierte EWA Version. Durch eine weitere Simulation des gleichen Szenarios mit der verbesserten EWA Version unterstreichen wir, wie wichtig die Simulation für die V2X Anwendungsentwicklung ist und wir zeigen, dass unsere Modifikationen die Leistung von EWA signifikant steigern. Zusammenfassend führen wir unser Messframework RMF ein und evaluieren es, stellen unsere Software Toolchain zum Map-Matching der Netzwerktraces auf einem OSM-basierten Straßengraphen vor, entwerfen, implementieren und evaluieren unser trace-basiertes Simulationsmodell als OMNeT++ Modul und binden selbes in das Simulationsframework VSimRTI ein. Wir evaluieren unsere Messmethodik, demonstrieren die Machbarkeit von trace-basierter Mobilfunksimulation und zeigen die Nützlichkeit unserer Simulations Toolchain. Darüber hinaus stellen wir den Sourcecode für alle von uns für diese Dissertation entwickelten Programme (Messframework, Post-Processing, Map-Matching und das OMNeT++ Simulationsmodell) zur Verfügung, damit jeder unsere Simulations Toolchain nutzen und auf unseren Arbeiten aufbauen kann.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Informatik » Rechnernetze
Dokument erstellt am:	19.02.2018
Dateien geändert am:	19.02.2018
Promotionsantrag am:	19.12.2017
Datum der Promotion:	01.02.2018