Розроблення інтегрованого протоколу V2X – комунікацій для підвищення безпеки та ефективності дорожнього руху
Автор: Павлюк Віталій Петрович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Комп'ютерні системи управління рухомими об'єктами (автомобільний транспорт)
Інститут: Інститут комп'ютерних технологій, автоматики та метрології
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2024-2025 н.р.
Мова захисту: англійська
Анотація: Транспортна галузь зазнає значних перетворень завдяки впровадженню технології Vehicle-to-Everything (V2X). Дана технологія забезпечує прямий бездротовий обмін даними між транспортними засобами, дорожньою інфраструктурою та іншими учасниками дорожнього руху. Такі системи здатні значно підвищити безпеку, ефективність та зручність дорожнього руху, сприяючи зменшенню кількості аварій, оптимізації трафіку та підтримці автономного водіння. Актуальність дослідження зумовлена необхідністю розробки надійних і ефективних протоколів комунікації для V2X, що здатні задовольнити сучасні вимоги до швидкості, надійності та безпеки передачі даних [4]. У першому розділі розглянутий загальний опис V2X систем. Було описано основні компоненти та моделі обміну повідомленнями. Також, було проведене порівняння наявних систем та протоколів V2X-комунікації, визначені їх переваги та недоліки [1; 2; 3]. Другий розділ присвячено формулюванню проблеми у наявних системах V2X-комунікацій. Було визначено основні недоліки систем та потребу розробленні уніфікованого протоколу комунікації V2X. Сформульовано вимоги до проєктованого рішення, яке усуватиме недоліки наявних протоколів. Названо очікувані результати від впровадження пропонованого протоколу. Третій розділ порівнює розглянуті наявні протоколи V2X-комунікацій. Було вибрано протокол доступу до середовища (MAC) – прийняте рішення використовувати комбінацію IEEE 802.11p та LTE-V2X. Вибрано протоколи транспортного рівня, а саме TCP та UDP. Запропоновано механізм пріоритизації 5 повідомлень. Описано підхід для забезпечення цілісності та аутентифікації повідомлень за допомогою інфраструктури PKI. У четвертому розділі було проведено практичну реалізацію описаного розроблюваного протоколу, та розроблено демонстраційну систему V2X-комунікації на платі для розробки ESP32-S3-SIM7670G-4G з використанням модулів ESP32 та SIM7670G 4G. Було використано протокол ESP-NOW як високопріоритетний канал для зв’язку між пристроями на близькій відстані. Для низькопріоритетного каналу використано LTE-зв’язок, по якому відбувається надсилання повідомлень по протоколу MQTT із забезпеченням маршрутизації у певному радіусі за допомогою алгоритму GeoHash. Було імплементовано запропонований механізм пріоритизації. Для забезпечення PKI було згенеровано сертифікати кореневого рівня, виробників та пристроїв, а також реалізовано підписування та верифікацію повідомлень. П’ятий розділ – економічна частина, у якій визначено економічну доцільність імплементації такого пристрою. Він демонструє конкурентоспроможність, а також має значний потенціал для поліпшення економності системи. Висновки відображають результат виконаної роботи, полягають в аналізі доцільності використання запропонованого стека технологій для протоколу V2X-комунікацій. Об’єкт дослідження – системи комунікацій V2X, які реалізують взаємодію між транспортними засобами, дорожньою інфраструктурою, пішоходами та іншими учасниками дорожнього руху. Предмет дослідження – принципи побудови протоколів комунікації в системах V2X, які забезпечують ефективну маршрутизацію повідомлень, управління їхньою пріоритетністю, а також високий рівень надійності та захищеності інформаційного обміну. Мета дослідження – розробка протоколу для інтегрованої системи V2X комунікації для забезпечення високої продуктивності, надійності та безпеки в 6 різних сценаріях використання, а також імплементація розробленого стека протоколу на пристрої системи комунікації V2X. Розроблена система інтегрує протоколи ESP-NOW для високопріоритетних повідомлень і LTE через MQTT із використанням GeoHash для низькопріоритетних, забезпечуючи баланс між низькою затримкою, високою пропускною здатністю, масштабованістю та радіусом дії. ESP-NOW дозволяє передавати дані з затримкою до 10 мс у радіусі 250 м, тоді як LTE через MQTT охоплює до 5 км із пропускною здатністю 150 Мбіт/с, ефективно організовуючи дані за географічними зонами. Алгоритм пріоритетності розподіляє навантаження між каналами, забезпечуючи швидку реакцію для критичних повідомлень. Інтеграція інфраструктури публічних ключів (PKI) гарантує автентичність і цілісність повідомлень через цифрові підписи та ланцюг довіри, створюючи безпечну й ефективну основу для V2X-комунікацій. Ключові слова: автомобіль-автомобіль, vehicle-to-everything, V2X, V2X-комунікація, протокол, протокол V2X, C-V2X, DSRC, 5G-V2X. Перелік використаних літературних джерел: 1. Ahmed Z., Naz S., Ahmed J. Minimizing transmission delays in vehicular ad hoc networks by optimized. Wireless Networks. 2020. Vol. 26, no. 4. P. 2905–2914. URL: https://doi.org/10.1007/s11276-019-02198-x. 2. Anwar W., Franchi N., Fettweis G. Physical Layer Evaluation of V2X Communications Technologies: 5G NR-V2X,. 2019. URL: https://doi.org/10.1109/vtcfall.2019.8891313. 3. V2X Communication Technologies and Service Requirements for Connected and / E. Cinque et al. 2020. URL: https://doi.org/10.23919/aeitautomotive50086.2020.9307388. 4. What Is Vehicle-to-Everything (V2X)?. Embedded OS, Support, and Services | BlackBerry QNX. URL: https://blackberry.qnx.com/en/ultimate-guides/software-defined-vehicle/vehicleto- everything.