Collaborative Sensing in Automotive Scenarios - Enhancement of the Vehicular Electronic Horizon through Collaboratively Sensed Knowledge

Daniel Burgstahler

Monday June 19, 2017

English abstract:

Modern vehicles are equipped with a variety of advanced driver assistance systems, that support to increase driving comfort, economy and safety. Respective information sources are local sensors like cameras, radar or lidar. However, the next generation of assistant systems will cause the need of information above the local sensing range. An extension of the local perception can be provided by appropriate communication mechanisms. For that, other vehicles can serve as a source of perception information, but also any other information source like cloud services. Required communication can take place directly between vehicles via mobile ad-hoc communication or via a backend by the use of cellular communication. The appropriate technology depends on the respective use case, that determines information content, granularity and tolerated latency. Based on literature, we derived a categorization of use case dependent information demands, with respect to communication. The resulting three zones, namely safety zone, awareness zone and information zone, refer to the tolerated latency between the occurrence of an information and the point in time the information has to be processed at the receiver side. While communication mechanisms for the safety zone, i. e., the ego-vehicle’s direct surroundings with a remaining driving time of less than 2 - 5 seconds, have been focus in research and standardization in the past, respective mechanisms for larger distances have not been sufficiently considered. In this thesis, we examine information distribution mechanisms in context of the previously mentioned use case categories.
As the first key contribution, we consider the gathering of vehicular sensed data with regard to the information zone, i. e., more than 30 seconds remaining driving time to the point of the information origin. We developed a probabilistic data collection model that is able to reduce data traffic up to 85 % compared to opportunistic transmission and still sticks to certain quality metrics, e. g., a maximum detection latency. A central adaption of transmission probabilities to the density of transmitting vehicles is applicable for cellular use and copes with sparse traffic situations. Moreover, we have extended this approach by hybrid communication, i. e., the parallel use of cellular and mobile ad-hoc communication. This allows to further reduce cellular based data traffic, in particular in case of dense traffic.
As the second key contribution, we examine the efficient distribution of the previously gathered information. Information is structured and prioritized according to the most probable driving path, as so-called electronic horizon. The transmission towards the vehicles is performed in small data packets, according to the given priorities. The aim is to transmit only information relevant for road segments that will be used. Concerning this, we developed a mechanism for most probable travel path estimation and a data structure for efficient mapping of the electronic horizon.
As the third key contribution, we examine the information exchange in the awareness zone, an area between the safety zone and the information zone with about 5 to 30 seconds remaining driving time to the point of the information origin. Derived from the respective use cases, this data is not directly safety relevant, but it is still about dynamic position information of neighboring vehicles. Due to the relatively long distance, direct vehicle to vehicle communication is not possible. Respective data has to be forwarded by intermediate vehicles. However, position beacons without data forwarding can already cause channel congestion in dense traffic situations. The use of cellular networks would require absolute total network coverage with permanent free channel resources. To enable forwarding of dynamic vehicle information anyhow, we developed at first a mechanism to reduce the channel load for position beacons. Next, we use the freed-up bandwidth to forward dynamic information about neighboring vehicle positions. With this mechanism, we are able to more than double the range of vehicular perception, with respect to moving objects.
In extension to standardized communication mechanisms for the safety relevant direct proximity, our three mentioned contributions provide the means to complete the long range vehicular perception for future advanced driver assistance systems.

German abstract:

Moderne Fahrzeuge sind mit einer Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen ausgestattet, welche das Fahren in Bezug auf Komfort, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit verbessern. Informationsbasis sind hierfür Sensorinformationen lokal verbauter Sensoren, wie beispielsweise Kameras, Radarsensoren oder Lidar. Die nächste Stufe von Fahrerassistenzsystemen benötigt Informationen über die Sichtweite lokal verbauter Sensoren hinaus. Diese Informationen können mittels geeigneter Kommunikationsmechanismen bereitgestellt werden. Zur Erfassung dieser Informationen können andere Fahrzeuge als mobile Sensorknoten dienen, aber auch beliebige andere Informationsquellen, wie beispielsweise Cloud Dienste. Die Kommunikation kann direkt zwischen den Fahrzeugen oder über ein Backend erfolgen. Als Kommunikationstechnologie kann hierbei Mobilfunk, aber auch direkte Kommunikation zwischen einzelnen Fahrzeugen eingesetzt werden. Welcher Kommunikationsweg und entsprechender Kommunikationsmechanismus geeignet ist, hängt vom jeweiligen Anwendungsfall ab, welcher den Informationsinhalt, die Granularität der Daten und die tolerierbare Latenz bestimmt. Dazu wurde aus der Literatur eine Klassifikation von Anwendungsfällen bezüglich der Kommunikationsanforderungen abgeleitet. Die daraus resultierenden Bereiche Sicherheitszone, Achtsamkeitszone und Informationszone beziehen sich auf die tolerierbare Latenz zwischen dem Auftreten einer Information und der Verarbeitung auf der Empfängerseite. Kommunikationsmechanismen für die Sicherheitszone, also den direkten Nahbereich um das Ego-Fahrzeug mit einer Restfahrzeit bis zum Ereignispunkt von weniger als 2-5 Sekunden, wurden in den letzten Jahren intensiv in Forschung und Standardisierung behandelt. Im Gegensatz dazu wurden geeignete Informationsverteilmechanismen für entferntere Bereiche nicht hinreichend behandelt. In der vorliegenden Arbeit wurden hierzu geeignete Informationsverteilmechanismen im Kontext der zuvor genannten Anwendungsfälle untersucht.
Der erste Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem effizienten Erfassen von Informationen für den Bereich Informationszone, mit mehr als 30 Sekunden Restfahrzeit bis zum Ort der Information. Das entwickelte probabilistische Erfassungsmodell ermöglicht das Einhalten bestimmter Qualitätsmetriken, wie eine maximale Erkennungslatenz, bei gleichzeitiger Reduktion des Datenvolumens um bis zu 85% gegenüber einem opportunistischen Übertragungsmodell. Die zentrale Adaption der Übertragungswahrscheinlichkeiten an die Dichte der sendenden Fahrzeuge ist geeignet für eine mobilfunkbasierte Erfassung und auch für geringe Fahrzeugdichten anwendbar. Durch eine Erweiterung um hybride Kommunikation, d.h. die parallele Verwendung von Mobilfunk und mobiler Ad-hoc Kommunikation, kann eine weitere Verringerung des mobilfunkbasierten Datenvolumens gezeigt werden. Besonders in dichtem Verkehr bietet dies ein großes Einsparpotential.
Der zweite Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem effizienten Verteilen der zuvor gesammelten Informationen. Basierend auf dem wahrscheinlichsten Fahrpfad werden die Informationen als so genannter elektronischer Horizont aufgebaut und priorisiert. Die Übertragung zum Fahrzeug erfolgt in kleinen Paketen, gemäß den Prioritäten. Ziel ist es möglichst nur Informationen zu den Streckenabschnitten zu übertragen, welche auch befahren werden. Dazu wurde ein Verfahren zur Abschätzung des Fahrpfades und eine Datenstruktur zur effizienten Abbildung des elektronischen Horizonts entwickelt.
Der dritte Kernbeitrag dieser Arbeit befasst sich mit dem Informationsaustausch in der Achtsamkeitszone, einem Bereich zwischen der Sicherheitszone und der Informationszone mit etwa 5 bis 30 Sekunden Restfahrzeit bis zum Ort der Information. Abgeleitet aus den Anwendungsfällen handelt es sich hierbei zwar nicht um sichheitskritische Informationen, aber dennoch vorwiegend um dynamische Informationen zur Position von Nachbarfahrzeugen. Aufgrund der relativ großen Distanz ist eine direkte Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation nicht möglich. Entsprechende Daten müssen hierfür von dazwischenfahrenden Fahrzeugen weitergeleitet werden. Bei dichtem Verkehr kann der Funkkanal durch die Positionsnachrichten der Fahrzeuge bereits ohne Weiterleitung vollständig ausgelastet sein. Eine entsprechende Realisierung über Mobilfunk würde eine absolut flächendeckende Netzabdeckung und stetige Kanalressourcen voraussetzen. Um dennoch eine Weiterleitung dynamischer Fahrzeuginformationen zu ermöglichen, wurde zunächst ein Verfahren zur Reduzierung der durch die Positionsnachrichten der Fahrzeuge erzeugten Kanallast entwickelt. Die so frei gewordene Kanalkapazität kann nun für die Weiterleitung von dynamischen Positionsinformationen benachbarter Fahrzeuge verwendet werden. Durch diesen Mechanismus kann die Reichweite des lokalen Wissens über dynamische Informationen von Nachbarfahrzeugen mehr als verdoppelt werden.
In Ergänzung zu den bereits standardisierten Kommunikationsmechanismen für den direkten sicherheitskritischen Nahbereich, ermöglichen die drei genannten Beiträge die Vervollständigung des für zukünftige Fahrerassistenzsystemen notwendigen Wahrnehmungsbereichs durch effiziente, anwendungsfallspezifische Kommunikation.

PhD Theses