A Framework for Quality of Service in Vehicle-to-Pedestrian Safety Communication

Vehicle-to-Everything (V2X) communication has emerged as an important mechanism to improve the safety and efficiency of road traffic. V2X communication  encompasses Vehicle-to-Vehicle (V2V), Vehicle-to-Infrastructure (V2I), and Vehicle-to-Pedestrian (V2P) communication. Among these types, the V2P communication efforts continue to be in the preliminary stage and lack a rounded approach towards the development of V2P systems. V2P involves communication between vehicles and a wide variety of Vulnerable Road Users (VRUs), such as pedestrians, bicyclists, mopeds, etc. The V2X systems were originally developed only for V2V and V2I when solely the vehicle characteristics were in focus. However, effective V2P system design needs to consider the characteristics of VRUs. The differing characteristics of VRUs have given rise to many questions while adapting to the V2V communication model for the V2P system.  This dissertation addresses three aspects pertaining to the development of the V2P safety system. The first aspect involves a systematic design of a V2P system using a holistic approach. This dissertation proposes a V2P design framework based on various categories of inputs that are required for the design of an effective V2P system.  This framework improves the understanding of the V2P system requirements and helps make the design process more systematic.  The second aspect is the network performance of the V2X network in the presence of a large number of VRUs. This dissertation proposes MC-COCO4V2P, which is an energy-efficient pedestrian clustering mechanism for network congestion mitigation. MC-COCO4V2P improves network performance by reducing the pedestrian-generated safety messages. It also improves the battery life of the pedestrian devices in the process.  The third aspect involves the reliability of communication between a pair of a vehicle and a pedestrian that are on the verge of collision. This dissertation classifies such crucial communication as the one requiring the highest priority even among the exchange of critical safety messages. It proposes a mechanism enabling the surrounding nodes to reduce the communication priority temporarily.  This results in preferred medium access for the pair resulting in higher Quality-of-Service (QoS) for the crucial communication.

Die Kommunikation zwischen Verkehrsteilnehmern (V2X) hat sich zu einem wichtigen Mechanismus zur Verbesserung der Sicherheit und Effizienz des Straßenverkehrs entwickelt. Obwohl die V2X-Kommunikation prinzipiell die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V), zwischen Fahrzeug und Infrastruktur (V2I) sowie zwischen Fahrzeug und Fußgänger (V2P) umfasst, sind Ansätze zur V2P-Kommunikation weiterhin in einem sehr frühen Stadium und lassen einen umfassenden Ansatz für die Entwicklung von V2P-Systemen vermissen. V2P umfasst im Detail die Kommunikation zwischen Fahrzeugen und einer Vielzahl von gefährdeten Verkehrsteilnehmern (VRUs), wie beispielsweise Fußgänger, Radfahrer oder Mopeds. V2X-Systeme wurden ursprünglich nur für V2V- und V2I-Kommunikation entwickelt, wobei ausschließlich die Fahrzeugeigenschaften im Fokus standen. Ein effektives V2P-Systemdesign muss jedoch auch die Eigenschaften von VRUs berücksichtigen, die bei der Berücksichtigung der V2P-Kommunikation in einem V2X-System viele Fragen aufwerfen.  
Diese Dissertation befasst sich mit drei Aspekten im Zusammenhang mit der Entwicklung eines V2P-Systems. Der erste Aspekt betrifft die systematische Konzeption eines V2P-Systems nach einem ganzheitlichen Ansatz. Diese Dissertation schlägt einen V2P-Entwurfsrahmen vor, der auf verschiedenen Eingangsgrößen basiert, die für die Entwicklung eines effektiven V2P-Systems erforderlich sind. Dieser Entwurfsrahmen verbessert das Verständnis der V2P-Systemanforderungen und trägt dazu bei, den Entwurfsprozess systematischer zu gestalten. Der zweite Aspekt betrifft die Leistung des V2X-Netzes, wenn eine große Anzahl von VRUs präsent ist. Diese Dissertation schlägt hierfür MC-COCO4V2P vor, einen energieeffizienten Clustering-Mechanismus für Fußgänger zur Eindämmung der Netzüberlastung. MC-COCO4V2P verbessert die Netzleistung, indem die Anzahl der von Fußgängern generierten Sicherheitsmeldungen reduziert wird. Damit wird zudem die Batterielebensdauer der von den Fußgängern genutzten Geräte verbessert. Der dritte Aspekt betrifft die Zuverlässigkeit der Kommunikation zwischen einem Fahrzeug und einem Fußgänger, die kurz vor einem Zusammenstoß stehen. Diese Dissertation stuft eine so wichtige Kommunikation als diejenige ein, die selbst beim Austausch anderer kritischer Sicherheitsnachrichten die höchste Priorität bekommt. Es wird ein Mechanismus vorgeschlagen, der es den umgebenden Verkehrsteilnehmern ermöglicht, ihre Kommunikationspriorität vorübergehend zu verringern. Dies führt zu einem bevorzugten Medienzugriff für die durch eine Kollision gefährdeten Verkehrsteilnehmer, was zu einer höheren Dienstgüte (QoS) für deren Kommunikation führt.

Pedestrians and bicyclists, also known as Vulnerable Road Users   (VRUs), are one of the weakest components of Intelligent Transportation Systems from a safety perspective. However, with the advent of new communication technologies, VRU protection may no longer be dependent solely on the vehicle’s safety systems. VRUs may share their location information with the surrounding vehicles to increase awareness of their presence. Such communication among vehicles and VRUs is referred to as Vehicle-to-Pedestrian (V2P) communication. Although the V2P system may be built upon the existing Vehicle-to-Vehicle communication system, it has its own set of challenges, such as different VRU mobility characteristics, energy-constrained devices, and VRU density. Therefore, there needs to be a V2P system model which is adapted to the VRU characteristics. This dissertation tackles this challenge by proposing a framework that enables scalability, reliability, and energy efficiency for VRU communication.

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