JP2005124014A - パケットフラッディング中継衝突予防システム - Google Patents

Abstract

【課題】 車両密度の高い環境において、各車両が衝突予防パケットを送信・中継する場合にブロードキャストストームを起さずに高いパケット受信率を得る。
【解決手段】 手段３により自車の次回送信時点の電波有効距離範囲内に所定数の中継ポイントを設定し、一方、直接受信した他車の車両情報から手段４により他車位置を算出し、他車位置と中継ポイント間の距離を手段５により算出し、保存テーブル６に各中継点毎に距離の近い順に所定順位までの車両アドレスを保存し、自車の車両情報をパケット送信する際に、前記テーブル６の各１位の車両アドレスを、重複した場合には一方の順位を下げて、パケットに乗せて送信する。受信したパケットに自車アドレスが含まれていて中継数が制限未満のときは、手段１３で直ちにそのパケットを中継処理する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一定範囲内に存在するすべての車両の位置、速度、その時刻等の車両情報をできるだけ全車両に伝達するようにして車両衝突を未然に防ぐ衝突予防システムの技術分野に属する。

車両事故による死亡者数が年間８０００人あまりに達している現在、車両の位置情報、速度情報を定期的に無線で周辺車両に通知し、相互の位置関係を運転者に知らせることにより車両衝突を未然に防ぐ衝突予防システムが注目を集めている。この車両衝突予防システムでは、自車両の位置情報、速度情報を周辺車両に確実かつリアルタイムに伝達させることが重要となる。しかし無線通信の性質上、市街地では建造物によるシャドーイングによりパケットの受信が困難な場所があることや、車両密度が高い環境ではパケット衝突によるパケットロスが生じるという問題が存在する。従って、衝突予防システムの実用化に際しては、市街地のような障害物が多く、車両密度の高い環境下でもパケットを周辺車両に確実に伝達させる方法が必要である。

車車間通信のパケット伝達率を高める手段として、無線周波数帯としてミリ波ではなく５．８ＧＨｚを用いて電波の回折を利用する方法（非特許文献１参照）と、車両間でアドホックネットワークを構築し、パケットの中継処理を利用する方法が提案されている。アドホックネットワークを用いる方法に着目すると、パケットのフラッディングは無線帯域を圧迫し、特に局密度が高いときにはブロードキャストストーム問題により、パケットの伝達率が著しく下がることが知られている。このため、市街地のような高車両密度環境下でアドホックネットワークによるパケットフラッディングを実施する場合には、効率よくパケットを伝搬させるフラッディング中継制御方式が重要課題となる。

車車間通信向けのフラッディング中継制御方式として、パケット受信に成功した車両からのＡＣＫ確認を行い、ＡＣＫが確認できなかった場合、その車両に最も近い車両に中継依頼してパケットを再送する方法と、パケットの受信電力あるいは所望波電力対干渉波電力比が閾値から一定の範囲内であれば自立的にパケット中継を判断する方法が提案されている（非特許文献２参照）。

また、自車両と他車両の進行方向をベクトルとして扱い、自車両と同じ道路を走行する車両とそれ以外の車両にクラス分けする方法が提案されている（非特許文献３参照）。
森岡裕一、曽田敏弘、中川正雄、「見通し外交差点におけるＤＧＰＳと車々間通信を利用した衝突予防システム」、電子情報通信学会技術報告ＩＴＳ２０００−４、２０００年５月、ｐ．１９−２４ 島津義嗣、村田英一、吉田進、「ＩＴＳ車々間通信における自律的パケット中継制御法」、電子情報通信学会論文誌Ｂ、１９９９年１１月、Ｖｏｌ．Ｊ８２−Ｂ Ｎｏ．１１、ｐ．２０１８−２０２５ 山田健太郎、Ｍｉｎ−Ｔｅ Ｓｕｎ、Ｗｕｃｈｉ Ｆｅｎｇ、Ｔｅｎ Ｈ Ｌａｉ、岡田博美、「車載機器間通信におけるＧＰＳを用いたブロードキャスティングプロトコル」、電子情報通信学会技術報告 ＤＳＰ９９−１６１、ＳＡＴ９９−１１６、ＲＣＳ９９−１６６、２０００年１月、ｐ．６１−６８

しかしながら、市街地のように多数の道路が交差しており、かつ車両密度が高い環境では、いずれの方法を用いてもパケット中継車両が多数存在しうる。衝突予防システムのように、例えば全車両が１００ｍｓ程度の周期で位置情報を含んだパケットを送信するような場合、無線帯域の圧迫によるパケット伝達率の低下は避けられない問題となる。

本発明は、このような問題を解決することを課題とする。
本発明は、市街地のように車両密度の高い環境において特に効果がある衝突予防システム向けの中継によるパケットフラッディングシステムである。
本発明システムでは、各車両が位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報をもとに、中継ポイントを複数箇所算出し、その中継ポイントに最も近い車両を指定してパケットの中継処理をさせるというものである。本発明システムによれば、車両密度にかかわらずパケットの中継車両の台数は設定した中継ポイント数以下に抑えられるため、効果的にパケットフラッディングを行うことが可能となる。

上記の課題を解決するために、本発明のパケットフラッディング中継衝突予防システムの第１の構成は、各車両に搭載されるべき下記の各手段を具備することを特徴とする。
（イ）予め定めた一定距離を走行する毎に衝突予防パケットを送信し、また、他車の送信する衝突予防パケットを受信するとともに、受信した衝突予防パケット中に自車アドレスが含まれており且つ該パケットの既中継回数が制限数未満の場合には、直ちに該パケットの中継処理を行う送受信手段
（ロ）自車の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報と、後記（ヘ）の中継車両候補保存テーブルの中継点毎の第１位の中継車両アドレスと、中継回数カウンタとを含む送信パケット（衝突予防パケット）を生成し、前記送受信部へ送る衝突予防パケット生成手段
（ハ）自車の次回送信地点を中心とする電波有効距離範囲内で、自車送信の衝突予防パケットを中継させる中継車両を選定するための基準地点となる中継ポイントを複数箇所設定する中継ポイント設定手段
（ニ）前記送受信手段で、衝突予防パケットを直接受信した１又は複数の他車の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報から、自車の次回送信時における前記各他車の位置を算出する他車位置算出手段
（ホ）前記各中継ポイントと前記各他車位置間の距離を算出する距離算出手段
（ヘ）各中継ポイント毎に、中継ポイントと前記各他車位置間の距離が近い順に、第１位から予め定めた順位までの車両アドレスを保存する中継車両候補保存テーブル

第２の構成は、前記第１の構成の（イ）の送受信手段に代えて、予め定めた一定時間を経過する毎に衝突予防パケットを送信し、また、他車の送信する衝突予防パケットを受信するとともに、受信した衝突予防パケット中に自車アドレスが含まれており且つ該パケットの既中継回数が制限数未満の場合には、直ちに該パケットの中継処理を行う送受信手段、としたことを特徴とするパケットフラッディング中継衝突予防システムである。
図１は、上記の手段構成を示すブロック図である。

以上の各手段を具備することにより、各車両は、中継ポイント設定手段３によって、自車の次回送信地点を中心とする電波有効距離範囲内で、複数箇所の中継ポイントを設定し、一方、他車位置算出手段４によって、送受信部１が衝突予防パケットを直接受信した１又は複数の他車の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報から自車の次回送信時点における他車の位置を他車位置算出手段４によって算出し、この他車位置と中継ポイント間の距離を距離算出手段５によって算出し、各中継ポイント毎に、中継ポイントと前記各他車位置間の距離が近い順に、予め定めた順位までの車両アドレスをテーブルに保存する。

そして、衝突予防パケット送信時には、各中継ポイントについて一定の順序で中継車両を決定していく。ある中継ポイントの第１中継車両候補が、他の中継ポイントの中継車両と重なったときには第２位以下の中継車両候補の中から中継局を選出する。この車両アドレスを衝突予防パケット生成手段２により衝突予防パケットに入れることにより中継車両として指定する。
従って、中継車両数は、予め定めた中継ポイントの数に抑えるだけではなく、各車両ごとに中継局として指定される車両は異なるため、負荷の集中を回避することも可能となる。

また、自車が受信した衝突予防パケット中に自車アドレスが含まれていた場合には、自車が中継車両として指定されていることになるのでそのパケットの中継回数が制限未満の場合には、受信した衝突予防パケットを中継処理手段１３により直ちに中継処理する。

この中継処理は、自車の一定距離走行毎或いは一定時間経過毎に送信する送信タイミングとは別に、受信した衝突予防パケットをそのまま直ちに送信する。この際パケット中の中継ホップ数カウンタを１つ加算する。これにより、衝突予防パケットを受信した車両はそのパケットが何回中継されて来たものであるかが分かる。従って、予め定めた回数だけ中継されたパケットは以後中継しないようにすることができる。

このように、１つの車両の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報（これらをまとめて車両情報という）を、指定した中継車両により、所定の中継回数までの中継を許容することにより、自車からは、遠くて電波が届かない所に居る車両或いは、近くには居るが建造物等が障害となって電波が届かない車両へも自車の車両情報が届くことになる。換言すれば、遠い所に居るか、或いは障害物があるため自車へ電波が届かない車両の情報が、自車へ電波が届く車両を介して自車へ届くということである。
こうして、車両相互に、自車の周囲に存在する他車の位置情報、速度情報、時刻情報を知ることにより衝突を予防することができる。

以上説明したように、本発明システムでは、他車の衝突予防パケットを受信した車両が無制限に中継処理をするのではなく、衝突予防パケット送信時に、予め定めた中継点と同数の指定された車両だけに中継処理を行わせ且つ中継ポイント同士で重複して指定しないようにするとともに、同一衝突予防パケットについての中継回数を予め定めた回数に制限するようにしているので、市街地のように車両密度の高い環境下にあってもブロードキャストストーム問題を回避しつつ高いパケット到達率（パケット伝達率とも言う）を実現できるという利点がある。

本発明の実施に当たっては、中継ポイントの数と位置をどのように設定するかという点、或る１つの衝突予防パケットの中継回数を何回まで許容するかという点、システムの機器構成をどのようにするかという点が考慮されることとなる。
まず、中継ポイントの位置をどのようにするかという点については、本発明システムの課題が車両密度の高い環境下にあってブロードキャストストームを回避して高いパケット伝達率を実現しようとすることから場面としては市街地が考えられる。市街地の場合、多くは建造物が立ち並ぶ中で直交（交差）する道路網上を車両が走行するのが一般的である。

即ち、交差点近くでは、周囲に存在する車両は自車の前後方向と左右方向に近い方向に存在することになる。従って、中継ポイントも自車の進行方向の前後と左右方向に設定するのが典型例の１つであろう。各方向での中継ポイントを何箇所にするかについては、諸条件を設定したシミュレーションにより、充分な衝突予防の実効を挙げ得るパケット伝達率を達成し得る数を選定するのが望ましい。
また、中継回数の制限についても、前記同様シミュレーションによって適切な回数を見出すのが望ましい。

次に、システムを構成する機器については、特許請求の範囲においては、機能ブロック別に区分してあるが、具体的なハードの構成がこの区分通りである必要はなく、コンピュータ処理の可能な部分については１つのコンピュータとソフトウェアとによって、順次或いは並行して各機能を実現するよう構成するのが最良の形態と考えられる。

図２に中継ポイント設定の実施例を示す。
車両１１は予め定めた一定距離（例えば２．５ｍ）を走行する毎に、或るいは、速度が２．５ｍ／ｓ以下の場合には１秒毎に衝突予防パケットを送信する。
進行中の車両１１が次回送信時にＯ点に居るとする。このＯ点を中心として電波有効距離ｒを半径とする円内で、中継ポイントを中継ポイント設定手段３により設定している。前方にＰｆ１、Ｐｆ２の２点、後方にＰｂ１、Ｐｂ２の２点、左方にＰｌ、右方にＰｒの各１点で合計６箇所である。Ｏ点から各中継ポイントまでの距離は、Ｐｆ２、Ｐｂ２の各点がｒ／３、Ｐｆ１、Ｐｂ１、Ｐｌ、Ｐｒの各点が２ｒ／３である。

次回衝突予防パケット送信予定時刻に、Ｐｆ１、Ｐｆ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｒ、Ｐｌの各地点から最も近い位置に存在していると予測される車両が次回の衝突予防パケット中継車両に選出される。中継ポイント毎に車両−中継ポイント間の距離が近い順に上位６候補まで車両情報をテーブルに保存しておく。衝突予防パケット送信時には、Ｐｆ１、Ｐｂ１、Ｐｆ２、Ｐｂ２、Ｐｒ、Ｐｌの順に中継車両を決定していく。ある中継ポイントの第１中継車両候補が、他の中継ポイントの中継車両と重なった時には、第２〜第６中継車両候補の中から中継局を選出する。
本発明システムによれば、パケット中継車両を６台以下に抑えるだけではなく、各車両毎に中継局として指定される車両は異なるため、負荷の集中を回避することも可能となる。

図３は、電波有効距離内にある車両１２が送信した衝突予防パケットを車両１１が直接受信したときの様子を示している。
車両１１が衝突予防パケットを受信した時（時刻Ｔ１）、自車（車両１１）が衝突予防パケットを次回送信する予定時刻Ｔ２に、車両１２が何処に位置しているかを他車位置算出手段４によって算出する。

その結果、車両１２が、車両１１の次の送信予定時刻Ｔ２にＰ点に存在したとする。そこで、Ｐ点から中継ポイントＰｆ１、Ｐｆ２、Ｐｂ１、Ｐｂ２、Ｐｒ、Ｐｌまでの距離を距離算出手段５によって算出し、それが中継ポイント毎に、中継車両候補存在テーブル６に保存されている上位６候補以内であれば、中継車両候補保存テーブル６を更新する。次回送信時には、この更新された保存テーブルによって中継車両が指定されることになる。
以上の衝突予防受信処理は、中継されずに直接受信したパケットについてのみ行う。

あるパケットについて電波に乗って伝搬した回数を中継数（或いは中継回数）と定義すれば、前記衝突予防受信処理は中継数が１つのパケットについてのみ行うということである。今、中継数が５まで許容されているとするならば、受信した衝突予防パケットの中継数が１〜４で、自車アドレスが含まれている場合には直ちに、受信した衝突予防パケットを中継処理する。受信した衝突予防パケットの中継数がすでに５になっている場合は、中継処理は行わずそのパケットを破棄する。

また、中継車両候補保存テーブル６に保存されている車両に関しては、それらからの次回衝突予防パケット受信期限を設けておき、期限を過ぎても当該車両からの衝突予防パケットの受信が無かった場合には中継車両候補から削除する。

次に、本発明システムのシミュレーションによる評価について説明する。
シミュレーションとしてはＮＳ２を用い、シミュレーションモデルとしては図４に示すマンハッタンモデルを想定する。４１２ｍ四方のエリアに、１車線６ｍの２車線道路が１００ｍ間隔で東西、南北に伸びている。この道路上に車両を乱数により配置する。
図中の偶数番号の道路に配置された車両は４０ｋｍ／ｈで走行させ、奇数番号の道路に配置された車両は８０ｋｍ／ｈで走行させる。交差点に差し掛かった車両は一定の確率により右折、左折を行わせる。

シミュレーションモデルの交差点拡大図を図５に示す。
交差点から１００ｍ離れた車両同士が互いを認識できることが衝突予防システムの十分条件とすると、パケット送信車両から半径１４０ｍ以内に位置する車両が衝突予防対象車両となる。道路から１４ｍ以上離れているエリア（図５における障害物）は電波の完全吸収体とし、障害物に触れた電波はその先に存在する車両には届かないとする。

この１４ｍという値は、市街地での電波伝搬実験において交差点から４０ｍ離れた車両同士はほぼ１００％通信が成功した測定結果を元に定めた。電波有効距離を８０ｍとすると、１４０ｍ離れた位置に存在する車両にパケットを伝達するためには、最低でも２台の車両が中継処理しないと到達できないことになる。

車両台数２００台、８００台のケースについて、シミュレーションを行う。
図６にシミュレーションモデルの諸元を記す。無線通信としてＩＥＥＥ８０２．１１ｂの無線ＬＡＮの使用を想定している。

このようなシミュレーションモデルについて、シミュレーション期間内に各車両が送信する全ての衝突予防パケットについて、パケット受信率を求めた。得られた結果の平均値を図７に記す。
同図は、衝突予防パケット送信時に、送信局から一定の距離範囲に存在していた車両の何％が当該パケットを受信できたかを示している。本発明システムの比較対象としてピュアフラッディング（pure flooding)を取り上げている。図７における車両数２００および車両数８００での値を図８および図９にそれぞれグラフ化して記す。

図８より電波有効距離である８０ｍまでは本発明システムは高いパケット受信率を示しているが、電波有効距離を境にパケット受信率が落ち込んでいることが分かる。この原因は、中継局として指定した車両が、パケットの衝突により受信失敗したことや、交差点の中央近辺に存在する車両を中継局として選択できない場合があったことにある。中継車両は６台以下に抑えているため、中継車両がパケット受信に失敗すると、それより遠方に存在する車両にはパケットが届きにくくなる。

また、車両数２００台のモデルでは平均車両間隔は４１．２ｍとなるので、各車両が理想とする中継ポイントから離れた場所に位置する車両を中継車両に指定してしまい、障害物を回り込んでパケットを伝搬させることに失敗する確率が高くなっている。

図９より車両数８００台の場合も車両数２００台の場合と同様、電波有効範囲を境にパケット受信率が落ち込んでいるが、ピュアフラッディング（pure flooding)に比べて高い受信率となっていることが分かる。車両数８００台のモデルでは、平均車両距離は１０．３ｍとなり、理想とする中継ポイントに近い位置に車両が存在する確率は高い。しかし車両数２００台のモデルに比べて車両密度が高く、パケット衝突により中継局がパケット受信に失敗する確率が高くなるため電波有効距離以降の車両に対する受信率が低下している。

ピュアフラッディング（pure flooding)は車両密度がパケット受信率に大きな影響を与えているのに対して、本発明システムは車両密度にさほど大きな影響は受けず、特に８０ｍ以内の車両については高いパケット受信率を示している。これは市街地での衝突予防システムでの利用に有効である。

本発明システムの構成と各車両情報取得手段を示すブロック図である。 本発明システムにおける中継ポイント設定の実施例の説明図である。 本発明システムにおいて、電波有効距離内の車両から直接受信し、自車の次回送信時における相手車両の位置を算出するための説明図である。 本発明システムの評価シミュレーションで用いた街路モデルであるハッタンモデルである。 図４のマンハッタンモデルの交差点の拡大図である。 本発明システムの評価シミュレーションを行った際のシミュレーションモデルの諸元を示す図である。 本発明システムのシミュレーション期間内に各車両が送信するすべての衝突予防パケットについて求めたパケット受信率の平均値を示す図である。車両数は２００台の場合と８００台の場合である。 図７の車両数２００台の場合のデータを、ピュアフラッディングの場合のデータと比較してグラフ化した図である。 図７の車両数８００台の場合のデータを、ピュアフラッディングの場合のデータと比較してグラフ化した図である。

符号の説明

１ 送受信部
２ 衝突予防パケット生成手段
３ 中継ポイント設定手段
４ 他車位置算出手段
５ 距離算出手段
６ 中継車両候補保存テーブル
７ 位置情報取得手段
８ 速度情報取得手段
９ 進行方向情報取得手段
１０ 時刻情報取得手段
１１ 車両
１２ 車両
１３ 中継処理手段
１４ アンテナ

Claims (2)

1. 各車両に搭載されるべき下記の各手段を具備することを特徴とするパケットフラッディング中継衝突予防システム。
   （イ）予め定めた一定距離を走行する毎に衝突予防パケットを送信し、また、他車の送信する衝突予防パケットを受信するとともに、受信した衝突予防パケット中に自車アドレスが含まれており且つ該パケットの既中継回数が制限数未満の場合には、直ちに該パケットの中継処理を行う送受信手段
   （ロ）自車の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報と、後記（ヘ）の中継車両候補保存テーブルの中継点毎の第１位の中継車両アドレスと、中継回数カウンタとを含む送信パケット（衝突予防パケット）を生成し、前記送受信部へ送る衝突予防パケット生成手段
   （ハ）自車の次回送信地点を中心とする電波有効距離範囲内で、自車送信の衝突予防パケットを中継させる中継車両を選定するための基準地点となる中継ポイントを複数箇所設定する中継ポイント設定手段
   （ニ）前記送受信手段で、衝突予防パケットを直接受信した１又は複数の他車の位置情報、速度情報、進行方向、時刻情報から、自車の次回送信時における前記各他車の位置を算出する他車位置算出手段
   （ホ）前記各中継ポイントと前記各他車位置間の距離を算出する距離算出手段
   （ヘ）各中継ポイント毎に、中継ポイントと前記各他車位置間の距離が近い順に、第１位から予め定めた順位までの車両アドレスを保存する中継車両候補保存テーブル
2. 請求項１の（イ）の送受信手段に代えて、予め定めた一定時間を経過する毎に衝突予防パケットを送信し、また、他車の送信する衝突予防パケットを受信するとともに、受信した衝突予防パケット中に自車アドレスが含まれており且つ該パケットの既中継回数が制限数未満の場合には、直ちに該パケットの中継処理を行う送受信手段、としたことを特徴とするパケットフラッディング中継衝突予防システム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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