Studio e valutazione di performance delle reti VANET: Protocolli di Accesso al mezzo e di routing

1 
 
Introduzione 
 
Negli ultimi anni con la forte affermazione delle reti wireless sempre piø veloci e 
piø stabili e con il decisivo aumento del traffico stradale, si sta cercando di 
studiare dei sistemi che migliorino la sicurezza stradale sfruttando le reti ad-
hoc. L’aumento sempre piø incisivo della percentuale di auto per individuo fa 
crescere proporzionalmente l’aumento del traffico stradale e il conseguente 
stress nella guida con un esponenziale aumento degli incidenti. Le ricerche 
scientifiche, portate avanti sia da aziende private che da multinazionali 
automobilistiche come la BMW, la Renault, la Toyota, la Volkswagen e la 
Chrysler stanno dando ottimi risultati. L’obiettivo è quello di migliorare la 
sicurezza nelle autostrade, nelle strade extraurbane e urbane, dando al 
conducente delle tecnologie che lo possano supportare nella guida. 
 Negli ultimi tempi tutte le case automobilistiche si sono concentrate sul 
miglioramento della sicurezza dei veicoli sfruttando però solo delle tecnologie 
basate sulla fisica del veicolo. Sono stati progettati diversi dispositivi di 
sicurezza che hanno decisamente migliorato la sicurezza del veicolo, come i 
dispositivi di assorbimento degli urti (airbag), sistemi che cercano di ridurre i 
danni fisici ai passeggeri e al conducente e anche sistemi per migliorare la 
stabilità del veicolo, come l’ESP o per il miglioramento della frenata come 
l’ABS. Ma nessuno studio era stato ancora effettuato per evitare di attivare 
dispositivi di sicurezza che riducano i traumi fisici, prevedendo un incidente 
imminente o mettendo il conducente nelle condizioni di evitare un incidente, ad 
esempio vedendo in anticipo un ostacolo dietro una curva o avvisandolo in 
anticipo di una brusca frenata dei veicoli che lo precedono. Tutto ciò è possibile 
tramite una cooperazione tra i veicoli o tra il veicolo e i sistemi di infrastrutture 
stradali.  
Oggi, grazie alla presenza di sistemi satellitari stabili e di mappe stradali 
sempre aggiornate è possibile migliorare sensibilmente la qualità della guida 
sfruttando la comunicazione da veicolo a veicolo.
2 
 
L’idea iniziale nasce in modo curioso, cioè da un’idea di tipo biologico che è la 
tecnica usata dalle formiche per cambiarsi tra di loro informazioni utili sul 
percorso. Infatti, una formica, detta formica esploratrice, traccia un percorso 
olfattivo su un’area geografica e le altre formiche che si trovano nelle vicinanze 
dell’area, ottengono le informazioni e quindi la capacità di scegliere la corretta 
direzione.  
L’idea di base delle formiche viene quindi riportata nel sistema stradale facendo 
in modo che tutti i veicoli che percorrono una strada inviano ai veicoli vicini (o 
ad un server) le informazioni raccolte dal proprio sistema (velocità, direzione, 
tipo di strada, traffico, ostacoli,condizioni dell’asfalto. . . ). Tutti i veicoli che si 
trovano nel raggio di trasmissione ricevono il messaggio acquisendo 
informazioni utili sulla viabilità e prendendo le opportune decisioni, dopodichØ 
inoltreranno il messaggio a tutti i veicoli (nodi della rete) vicini.  
Lo studio è stato effettuato ponendo particolare attenzione alla comunicazione 
tra i vari nodi della rete che nel caso delle Veichular Ad-Hoc Network (VANET) 
sono proprio i veicoli. Sono stati analizzati protocolli di routing che permettono il 
forwarding dei messaggi tra i nodi della rete, che essendo una particolare rete 
MANET non ha un’infrastruttura fissa.  
Nelle VANET (ancora di piø che nelle MANET) la mobilità è la componente che 
assume maggiore importanza perchØ essendo i nodi della rete dei veicoli hanno 
un’alta velocità con conseguente precarietà dei link fisici. Il vantaggio della rete 
VANET è la possibilità di utilizzare i GPS e le mappe stradali in modo tale da 
poter predire la direzione e il punto successivo dove il nodo si potrà trovare. 
Questo è uno dei punti cardini dei nuovi protocolli di routing che cercano 
appunto di ottimizzare lo scambio di messaggi nella rete, per evitare un alto 
overhead, sfruttando le nuove tecnologie messe a disposizione a tutti i veicoli. 
L’obiettivo principale del protocollo di routing è quello di creare dei percorsi 
ottimali tra il nodo sorgente e il nodo destinazione ovvero tra i due veicoli che 
vogliono scambiarsi dei messaggi. Nel cercare i percorsi ottimali il protocollo di 
routing dovrà tenere in considerazione che si tratta di nodi con alta mobilità e di 
conseguenza con un percorso ottimale che non avrà lunga vita. Dovrà quindi
3 
 
piø volte ricreare un percorso anche se il nodo sorgente e destinatario 
rimangono gli stessi e dovrà farlo nel modo piø veloce possibile per evitare 
ritardi nella comunicazione. In una situazione standard dove due veicoli 
vogliono comunicare tra loro bisogna tenere in considerazione anche gli 
ostacoli (come alberi, muri, abitazioni) e le attenuazioni e interferenze che il 
segnale radio può avere. Un protocollo di routing che tiene in considerazione 
anche questi problemi farà in modo che la reti sia meno pesante e che le 
ritrasmissioni siano il minore possibile.  
L’IEEE 802.11 è veramente ottimo per le reti wireless ma lo è un po’ meno per 
le reti VANET.  Per questo motivo un protocollo di routing, per quanto possa 
essere ottimale, non può da solo rimediare a tutti i problemi che una rete, con 
così alta mobilità e con così alta frequenza di aggiornamento del percorso, si 
ritrova. C’è quindi la necessità di intervenire anche a livello MAC per supportare 
al meglio il livello di routing e sono stati ideati diversi protocolli MAC, sia con 
uso unico del canale sia con nun uso condiviso del canale. 
Oltre all’implementazione dei protocolli di MAC e dei protocolli di Routing sono 
stati studiati diversi progetti sulle reti VANET. Una delle iniziative piø importanti 
in Europa per trovare soluzioni innovative come FleeNet, NoW, PReVENT, 
CVIS, SAFESPOT, SeVeCom, COMeSafety è stata la i2010ICI (Intelligent Car 
Iniziative) che ha lo scopo di migliorare la sicurezza stradale e la qualità della 
vita dei conducenti integrando nei sistemi a bordo dei veicoli delle tecnologie di 
informazione. 
Infine, si è approfondito l’uso del sistema CAR-2-CAR che si pone come 
obiettivo la standardizzazione europea per tutte le comunicazioni di tipo CAR-2-
X che nasce proprio dall’iniziativa i2010ICI.
4 
 
Capitolo 1 : Vanet e Applicazioni 
 
L’automobile rappresenta il principale mezzo di trasporto in tutto il mondo e la 
sua diffusione porta a situazioni di traffico estreme oltre ai vari rischi di incidenti 
causati da errori umani,alta velocità,strade dissestate che rischiano di far 
diventare l’esperienza di guida stressante e poco sicura. Per migliorare queste 
situazioni e offrire al conducente  una situazione migliore molte ricerche si 
concentrano su nuove tecnologie per migliorare la sicurezza e il comfort 
durante il viaggio. Le nuove tecnologie  fino ad oggi si sono concentrate sul 
last-moment,ovvero sull’ultimo istante, prima di un pericolo,come 
l’Airbag,l’ESP,l’ABS. La nuova frontiera della sicurezza autostradale è invece 
basata sulla cooperazione delle automobili attraverso degli strumenti tecnologici 
che permettono di far cooperare i veicoli avvisando in caso di pericolo,di frenate 
brusche,di nebbia improvvisa,di lavori in corso o anche piø semplicemente di 
una strada con traffico congestionato. Per comunicare tra loro i veicoli dovranno 
far parte di una rete di tipo Wireless e magari utilizzare un sistema di locazione 
come il GPS ormai presente in quasi tutte le auto. Questo tipo di rete, formata 
da veicoli mobili, è meglio conosciuta come VANET. 
Le VANET (Vehicular Ad-Hoc Network) sono delle reti mobili per fornire 
comunicazione tra veicoli. L’utilità di base delle VANET è riferita alla sicurezza e 
al comfort dei viaggiatori ma con possibilità di espansioni anche ad altri utilizzi 
come quelli multimediali. 
La potenza e il vantaggio di questo tipo di reti è che non hanno bisogno di 
alcuna infrastruttura o di comunicazioni client-server. Infatti, i nodi ad-hoc della 
rete sono proprio i veicoli che comunicano tra loro tramite la rete wireless. 
L’idea di base della VANET è di natura biologica. Nasce infatti,dalla tecnica 
usata dalle formiche per scambiarsi informazioni relative al percorso che stanno 
o hanno attraversato. Una formica esploratrice traccia un percorso olfattivo 
(rilasciando feromoni) in un’area e le altre formiche acquisiscono le informazioni 
e la capacità di decidere la direzione corretta in base all’intensità della traccia
5 
 
lasciata. Lo stesso concetto viene riportato,in scala diversa,nell’idea delle reti 
veicolari ad-hoc. 
I veicoli mentre percorrono una strada, inviano ai veicoli vicini , ovvero quelli 
che si trovano nell’area ricopribile dal proprio trasmettitore, delle informazioni 
come la  direzione, la velocità, la situazione del traffico, etc. I veicoli che 
ricevono queste informazioni le acquisiscono e valutano la strada migliore da 
seguire o il comportamento migliore da seguire nel caso in cui ci fosse la 
segnalazione di un incidente o di un’imminente arrivo di auto da soccorso. 
Le VANET fanno parte di un contesto piø ampio,le Mobile Ad-Hoc Networks 
(MANET),e di conseguenza ne condividono alcune caratteristiche come la 
comunicazione multi-hop tra i nodi e la banda limitata mentre differiscono 
soprattutto nel rapido mutamento della tipologia delle reti e delle rispettive 
sottoreti. 
Le VANET hanno caratteristiche peculiari rispetto alla MANET infatti molte 
problematiche che si hanno sulle reti ad-hoc generiche non si hanno sulle 
VANET come ad esempio lo sfruttamento del sistema Gps per la conoscenza 
della mappa circostante o lo sfruttamento dell’alimentazione dell’auto, così da 
potersi concentrare su algoritmi che sfruttino senza problemi l’energia e si 
ottimizzino maggiormente sulla qualità dell’algoritmo. 
A differenza delle reti cellulari,nelle VANET le operazioni sono decentralizzate 
visto l’assenza delle infrastrutture ma a differenza delle normali reti cablate le 
VANET come tutte le reti wireless generiche hanno una banda piø limitata e un 
throughput sempre minore della frequenza massima di trasmissione causato 
soprattutto da interferenze o dal multiplo accesso. 
La dinamicità e la velocità richiesta dalle informazioni fanno si che lo studio si 
concentri in modo particolare sull’efficienza delle performance dei vari 
protocolli. Si sta altresì studiando molto, con ricerche alle quali partecipano da 
anni anche grosse case madri automobilistiche, sui vari protocolli applicabili a 
queste reti, protocolli che ottimizzino l’uso dei GPS per localizzazione dei
6 
 
veicoli e l’uso delle mappe,fino ad arrivare ad un ricerca che include l’impiego 
del flooding in un protocollo senza rilevamento di collisioni (CSMA-CA). 
Per il livello fisico la frequenza di banda va dai 2.4000GHz ai 2.4835GHz. 
Le ragioni del grande interesse della comunicazione tra veicoli sono diverse [2] 
[3] [4] [5] : 
 
• Servizi di sicurezza affiancati a ESP e ABS,come ad esempio avvisi 
acustici o luminosi in prossimità di situazioni pericolose; 
• Segnalazione di avvenimenti atmosferici come improvvise piogge e fitti 
banchi di nebbia; 
• Avviso in prossimità di incidenti; 
• Avviso e organizzazione di situazioni di soccorso con riduzione dei tempi 
di intervento; 
• Avviso e trasmissione di messaggi di emergenza in caso di calamità 
urbane sfruttando eventualmente anche la localizzazione dei vari 
nodi/auto; 
• Servizi di assistenza alla guida 
• E molto altro; 
 
Ma ci possono essere anche utilizzi di entertainment come : 
 
• Diffusione e condivisione di flussi multimediali; 
• Tv on demand; 
• Scambio di file (musica,film..) o di semplici informazioni come sms e chat 
tra le macchine; 
• Invio di pubblicità mirata tramite messaggi o video pubblicitari; 
• Servizi di broadcast; 
• E molto altro; 
 
Possiamo far riferimento ad un’interessante tabella [16]  per riassumere molti 
dei possibili utilizzi delle vanet :
7 
 

 Sicurezza Attiva 
 Caratteristiche stradali pericolose: 
 Curve di velocità, 
 Avviso di ponte 
 Avvertimento in caso di violazione 
 Semafori o segnali di stop 
 Anomalie di traffico e viabilità: 
 Avvertimento da parte di un veicolo sulle condizioni stradali 
 Avviso della condizione stradale basata sulle infrastrutture 
 Avviso di visibilità 
 Avviso di lavori in corso su strada 
 Pericolo di collisione: 
 Avvertimento di un angolo morto 
 Avviso di sorpasso pericoloso 
 Avviso di incrocio pericoloso 
 Avviso di collisione anteriore / posteriore 
 Accensione delle luci di frenata in modo elettronico 
 Rail collision warning 
 Avvertimento in caso di pedoni che attraversano la strada 
 Incidente imminente: 
 Rilevamento di un pre-incidente 
 Incidente avvenuto: 
 Avvertimento post-incidente 
 Avvertimento di soccorso 
 Servizio SOS 

 Servizio pubblico: 
 Risposta di emergenza: 
 Avviso di avvicinamento veicoli di emergenza 
 Segnale di precedenza del veicolo di emergenza 
 Avviso di veicoli di emergenza sul posto 
 Supporto alle autorità: 
 Targa elettronica