Performance evaluation of safety critical ITS-G5 V2V communications for cooperative driving Applications

Abstract

Intelligent Transport Systems (ITS) are aiming to provide innovative services related to different modes of transport and traffic management, and enable various users to be better informed and make safer, more coordinated and smarter use of transport networks. Cooperative-ITS (C-ITS) support connectivity between vehicles, vehicles and roadside infrastructure, traffic signals as well as with other road users. In order to enable vehicular communications European Telecommunication Standards Institute (ETSI) delivered ITS-G5 – a of set of C-ITS standards. Considering the goals of C-ITS, inter-vehicle communications should be reliable and efficient. The subject of this thesis is evaluation of the performance, efficiency, and depend- ability of ITS-G5 communications for cooperative driving applications support. This thesis includes eight scientific papers and extends the research area in three directions: evaluation of the performance of ITS-G5 beaconing protocols; studying the performance of ITS-G5 congestion control mechanisms; and studying the radio jamming Denial-of- Service (DoS) attacks and their detection methods. First, an overview of currently available and ongoing standardization targeting communications in C-ACC/platooning cooperative driving application is provided. Then, as part of the first research direction, we demonstrate via number of studies, that adaptive beaconing approach where message generation is coupled to the speed variation of the originating ITS-s may lead to a similar message synchronization effect in the time domain when vehicles follow mobility scenarios that involve cooperative speed variation. We ex- plain in detail the cause of this phenomenon and test it for a wide range of parameters. In relation to the second problem, we, first, study the influence of different available ITS-G5 legitimate setups on the C-ACC/platooning fuel efficiency and demonstrate that proper communication setup may enhance fuel savings. Then we thoroughly study the standardization of the congestion control mechanism for ITS-G5, which will affect the operation of all cooperative driving C-ITS applications as a mandatory component. We study the influence of congestion control on application performance and give recommendations for improvement to make the congestion control to target at optimizing the applications performance metrics. In the scope of the last research direction, we propose two real-time jamming DoS detection methods. The main advantage of our detection techniques is their short learning phase that not exceed a few seconds and low detection delay of a few hundreds of milliseconds. Under some assumptions, the proposed algorithms demonstrates the ability to detect certain types of attacks with high detection probability.

Els Sistemes de Transport Intel·ligents (ITS) tenen com a objectiu proporcionar serveis innovadors relacionats amb diferents modes de transport i gestió del trànsit, i permetre que els usuaris en facin un ús més segur, més coordinat i més intel·ligent. Cooperative-ITS (C-ITS) fa possible la connectivitat entre vehicles, entre vehicles i la infraestructura de la carretera, entre senyals de trànsit, i amb altres usuaris de la carretera. Per tal de permetre la comunicació entre vehicles, l'Institut Europeu de les Telecomunicacions (ETSI) va crear el ITS-G5 - un conjunt de normes C-ITS. Tenint en compte els objectius de C-ITS, les comunicacions entre vehicles han de ser fiables i eficients.Lobjectiu d'aquesta tesi és l'avaluació del rendiment i l'eficiència de les comunicacions ITS-G5 per donar suport a les aplicacions de conducció cooperativa. La tesi inclou vuit articles científics al voltant de tres àrees de recerca: avaluació del rendiment dels protocols de baliseig ITS-G5; estudi del rendiment dels mecanismes de control de la congestió ITS-G5; i estudi de d’atacs de tipus Denial-of-Service (DoS) i els seus mètodes de detecció. En primer lloc, s’inclou una descripció general dels objectius d'estandardització actuals i futurs respecte a la conducció cooperativa C-ACC / platooning. Després, com a part de la primera àrea de recerca, es demostra a través de diversos estudis, que l'enfocament de balisa adaptativa on la generació de missatges està acoblada a la variació de velocitat dels ITS-s originadors, pot portar a un efecte de sincronització de missatges similar en el domini del temps quan els vehicles adapten de manera cooperativa la seva velocitat. Així, s’explica detalladament la causa d'aquest fenomen i s’estudia per a una àmplia gamma de paràmetres. En relació amb el segon problema, primer s’estudia la influència de diferents configuracions base del ITS-G5 en el consum de combustible, demostrant que amb una configuració adequada es pot millorar l'estalvi de combustible. Després, s’estudia el mecanisme de control de congestió definit per ITS-G5, que afectarà el funcionament de totes les aplicacions de C-ITS de conducció cooperativa ja que es un component obligatori, avaluant la seva influència en el rendiment de les aplicacions, i donant recomanacions de millora. Finalment, en l’àrea de l'última direcció d'investigació, es proposen dos mètodes de detecció de DoS en temps real. El principal avantatge de les tècniques de detecció presentades és la seva curta fase d'aprenentatge, que no excedeix d’uns pocs segons, i el seu baix retard de detecció d'uns pocs centenars de milisegons. Sota alguns supòsits, els algoritmes proposats demostren la capacitat de detectar certs tipus d'atacs amb alta probabilitat de detecció.

Los Sistemas de Transporte Inteligentes (ITS) tienen como objetivo proporcionar servicios innovadores relacionados con diferentes modos de transporte y gestión del tráfico, y permitir que los usuarios hagan un uso más seguro, más coordinado y más inteligente. Cooperative-ITS (C-ITS) hace posible la conectividad entre vehículos, entre vehículos y la infraestructura de la carretera, entre señales de tráfico, y con otros usuarios de la carretera. Para permitir la comunicación entre vehículos, el Instituto Europeo de las Telecomunicaciones (ETSI) creó el ITS-G5 - un conjunto de normas C-ITS. Teniendo en cuenta los objetivos de C-ITS, las comunicaciones entre vehículos deben ser fiables y eficientes. El objetivo de esta tesis es la evaluación del rendimiento y la eficiencia de las comunicaciones ITS-G5 para dar soporte a las aplicaciones de conducción cooperativa. La tesis incluye ocho artículos científicos en torno a tres áreas de investigación: evaluación del rendimiento de los protocolos de baliza ITS-G5; estudio del rendimiento de los mecanismos de control de la congestión ITS-G5; y estudio de de ataques de tipo Denial-of-Service (DoS) y sus métodos de detección. En primer lugar, se incluye una descripción general de los objetivos de estandarización actuales y futuros respecto a la conducción cooperativa C-ACC / platooning. Luego, como parte de la primera área de investigación, se demuestra a través de varios estudios, que el enfoque de baliza adaptativa donde la generación de mensajes está acoplada a la variación de velocidad de los ITS-s originadores, puede llevar a un efecto de sincronización de mensajes similar en el dominio del tiempo cuando los vehículos adaptan de manera cooperativa su velocidad. Así, se explica detalladamente la causa de este fenómeno y se estudia para una amplia gama de parámetros. En relación con el segundo problema, primero se estudia la influencia de diferentes configuraciones base del ITS-G5 en el consumo de combustible, demostrando que con una configuración adecuada se puede mejorar el ahorro de combustible. Después, se estudia el mecanismo de control de congestión definido por ITS-G5, que afectará el funcionamiento de todas las aplicaciones de C-ITS de conducción cooperativa ya que es un componente obligatorio, evaluando su influencia en el rendimiento de las aplicaciones, y dando recomendaciones de mejora. Finalmente, en el área de la última dirección de investigación, se proponen dos métodos de detección de DoS en tiempo real. La principal ventaja de las técnicas de detección presentadas es su corta fase de aprendizaje, que no excede de unos pocos segundos, y su bajo retraso de detección de unos pocos cientos de milisegundos. Bajo algunos supuestos, los algoritmos propuestos demuestran la capacidad de detectar ciertos tipos de ataques con alta probabilidad de detección.