Edistynyt ajoneuvoviestintä solukko- ja lyhyen kantaman verkoissa käyttäen tiesää- ja liikennetarkkailutietoja

Hyvä tieinfrastruktuuri ja tehokas liikennejärjestelmä ovat nykyaikaisten yhteiskuntien perusta. Tieliikennejärjestelmien kehityksessä turvallisuus on etusijalla. Viime vuosina säätiedoista on tullut yhä tärkeämpiä liikenneturvallisuuden kannalta. Jäiset ja liukkaat tiet ovat nimittäin nousseet talvikaudella liikenneonnettomuuksien yleisimmäksi syyksi etenkin Pohjois-Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa.

Liikenneturvallisuuden näkökulmasta tärkeimmät tekijät ovat tarkat, reaaliaikaiset sää- ja tieliikennetiedot. Ajoneuvoviestintään voidaan käyttää IEEE 802.11p (ITS-G5) -standardiin perustuvaa lyhyen kantaman ajoneuvoverkkoa, Wi-Fi-verkkoa ja näkyvän valon tietoliikennettä (VLC, visible light communications). Matkapuhelinviestintää 4G- ja 5G-verkoissa pidetään tällä hetkellä mahdollisena ajoneuvojen viestintäverkkona. Opinnäytetyöni aikana tein pilottimittauksia sekä lyhyen että pitkän kantaman langattomista tekniikoista erilaisissa ajoneuvoympäristöissä.

Väitöstyö tehtiin Ilmatieteen laitoksen omistamilla Petäjämaan ja Sodankylän lentokentän testiradoilla. Testiradoilla on kaksi tiesääasemaa (RWS, road weather station), jotka on varustettu Wi-Fi- ja IEEE-802.11p-verkoilla sekä viidennen sukupolven verkolla (5G), joka perustuu Release 15-määrityksen mukaiseen LTE-verkkoon (long term evolution) ja 4G-verkkoon.

Väitöstyössä on tutkittu erilaisten ajoneuvoviestintäkenttämittausten suunnittelua, kehittämistä ja toteuttamista tiesään ja tieliikennetietojen keräämisen avulla. Tiesää-ja tieliikennetietoja vaihdettiin ajoneuvojen ja tieyksiköiden (RSU, roadside unit) tai tiesääasemien välillä. Osana väitöstutkimusta suoritettiin järjestelmätason vertailu. IEEE 802.11p/ITS-G5- ja Wi-Fi-verkkojen mittauksia verrattiin vastaaviin LTE- ja 5G-verkkojen pilottiverkkomittauksiin. Pilotoidut käyttöskenaariot ovat ajoneuvojen välinen (V2V, vehicle-to-vehicle). ajoneuvon ja tiesääaseman välinen (V2RWS, vehicle-to-RWS), ajoneuvon ja jalankulkijoiden välinen (V2P, vehicle-to-pedestrian), jalankulkijoiden ja infrastruktuurin välinen (P2I, pedestrian-to-infrastructure), droonin ja ajoneuvon välinen (D2V, drone-to-vehicle) ja droonin ja infrastruktuurin välinen (D2I, drone-to-infrastructure) tiedonsiirto tiesää- ja tievalvontatietojen avulla.

Väitöstyössä tehtiin järjestelmätason suorituskykyanalyysi lyhyen ja pitkän kantaman viestinnästä tarkastellen erilaisia parametreja, kuten latenssi, onnistunut kauttakulku, kauttakulkumäärä, pakettihäviöt ja sijaintipohjaiset palvelut. Ajoneuvojen välisen viestinnän turvallisuus on välttämätöntä myös turvallisen ja luotettavan viestinnän varmistamiseksi liikenneturvallisuuden kannalta. Ajoneuvoviestinnässä viestintäkerros koostuu ajoneuvon dynamiikasta ja ympäristöantureista, jotka ovat alttiita kuuntelulle, häirinnälle ja spoofing-hyökkäyksille. Näiden turvallisuusongelmien ratkaisemiseksi Ilmatieteen laitos on kehittänyt Sodankylässä sisäänrakennetun SafeCOP-turvallisuusominaisuuden (Safe Cooperating Cyber-Physical Systems using Wireless Communication). SafeCOP-ominaisuus tarjoaa turvallisen ja luotettavan tiedonsiirtoalustan ajoneuvojen verkotukseen.

SafeCOP-ominaisuuden suorituskykyä analysoitiin tarkastelemalla V2V- ja V2I-skenaarioita. Väitöstyössä tutkittiin perusteellisesti verkotettujen ajoneuvojen pilottialustan suorituskykymittareita, kuten skaalautuvuutta, tehokkuutta ja kestävyyttä. Lyhyen ja pitkän kantaman (heterogeeninen) ajoneuvoverkkojärjestelmä yhdessä sisäänrakennetun turvallisuusominaisuuden kanssa mahdollistaa ajoneuvopohjaisten toimilaitteiden, antureiden ja havaintotietojen käytön älykkään palvelualustan ja reaaliaikaisten liikenneturvallisuutta parantavien palveluiden kehittämiseksi.

Väitöstutkimuksen tulokset auttavat parantamaan liikenneturvallisuutta, suorituskykyä ja tietoliikennealustojen turvallisuutta vaihtamalla luotettavia tiesäätietoja rajoitettujen verkkojen ominaisuuksien kautta. Pitkän kantaman ja lyhyen kantaman yhdistäminen (hybridimalli) myös demonstroi verkon käyttäytymistä äärimmäisissä talviolosuhteissa.