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たつやたかはし
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1 大学院輪講資料 2010 年 11 月 19 日車輌無線通信に関するする研究研究動向 A Survey on Vehicle Wireless Communications 情報理工学系研究科電子情報学専攻上條研究室修士 1 年日坂翔馬 Abstract 2 ITS における無線 For the improvement of traffic situations, the intelligent transportation systems (ITS) are researching in many countries. In ITS applications, the wireless communications is very important. Because cooperate application on the road needs communications. This paper introduces the examples of ITS applications. And explain their usage of wireless communications. Then classify these applications by communication architecture. Finally explain the relativity between needs of applications and capability of wireless communications. 1 はじめに交通における諸問題を解決する手法として,ITS を利用するアプリケーションが研究され, 実用化されてきている.ITS とは,Intelligent Transportation systems の略であり, センシングや車輌, 通信の最新技術などを, インフラである道路や車輌, 交通弱者である人等に適応させることにより, 交通における安全や効率, 快適性などを改善するためのシステムを指す. 特に日本においては, 狭い国土や交通量の多さなどにより, 道路環境の整備による交通状況の改善には限界が存在し, より安全を求めるためには ITS の導入が不可欠である. また,ITS ではこれまで出来なかった新しい機能を, 交通において提供することができる. 従って, 次世代の交通システムの為に,ITS のアプリケーションが各国で開発, 実用化されてきているのが現状である. ITS のアプリケーションにおいては, 無線を用いた情報の通信が重要な要素となってくる.1 台の車だけで実現できる機能には制限があり, 特に交通安全などにおいては, 車輛の位置関係などを相互に把握したり, 先方の交通状況などを知ったりすることなどが重要になってくるためである. 無線通信は, 有線と違い確実に通信し続けられる保証はなく, 隠れ端末などの特有の問題も存在する. 従って, アプリケーションはそれらを考慮して開発しなければならない. 3 アプリケーション前述したとおり,ITS 技術は世界各国で実現に向けた取り組みがなされており, それぞれの国で, プロジェクトの策定とそれに合わせたアプリケーションの研究が行われている. この章では, 代表的なプロジェクトと, そこでの通信を用いた研究例を上げていく. 3.1 ASV 日本では, 国土交通省が推進しているプロジェクトとして Advanced Safety Vehicle(ASV) が挙げられる. ASV では, 車載センサ等を用いた自律型の ITS サービスと, それらの情報を相互にやりとりして行う通信利用型のサービスが考えられており, 特に平成 18 年度から始まった第 4 期では, 後者の開発, 実用化に力を入れてきている. 奥木らによって行われた, 研究 [1] では, 交差点付近等事故が多い道路状況において, 衝突の危険を車々間通信により判断し, 運転者に警告を与えるアプリケーションが想定されている.(Figure.1)

2 アルゴリズムとしては, まず GPS データと地図情報から自車が今いる状況を推定し, 交差点での右左折や優先道路への侵入などが予想される場合に, 適切な支援システムを起動する. それぞれの支援システムは, 周囲の車輛と通信し, 衝突の危険性があるものだけを抽出する. そして状況に応じて運転者に警告を発するが, この時タイミングがずれて発報してしまうと, 混乱を招くうえシステム全体の信頼度が低下してしまう. そこで, このアプリケーションでは相手側の車輛の移動予測にも地図データを用いることによって, 位置データのみを用いた場合では誤報になってしまう場面 (Figure.2) でも誤報を抑え, 警報タイミングを適切なものとすることができる. 通信の規格としては, 日本の 5.8GHzDSRC を用い, 100ms 周期でブロードキャストによる通信を行っている. 彼らは, このシステムを広島市内と東京の臨海副都心で,30 台もの車両と状況が異なる 18 箇所の交差点を用いた実地実験することで, 従来の手法ではタイミングがずれ, 実際に注意喚起のタイミングが目標値以内に収まっていることを確認した. Figure.1: ディスプレイによる情報提示 3.2 VII 北米では,VII (Vehicle Infrastructure Integration) というプロジェクトが進められている. その名のとおり, 車輌と道路側に設置した機器が通信することで, さまざまなアプリケーションを実現することが考えられている. これを路車間通信と呼ぶ. 路車間通信は, 多数の機器を分散して設置しなければならなく, コストがかかる上, 設置した場所でなければ効果を発揮できない等の問題が存在するが, 車々間通信と比べて通信が比較的楽で, 性能の高いアプリケーションを提供できるといった特徴がある. He らの研究では,ITS のための精度の高い位置推定を実現するために道路にセンサを埋め込み, それと通信することが考えられている.GPS のデータをそのまま用いるだけでは, 誤差が大きく使い物にならないが, その誤差のうち, 地形や大気の状態などによって生じる common-mode error について, 道路に埋め込んだセンサ情報を元に differencialgps の手法を用いることによって排除することに成功した. (Figure.3) またそれ以外の誤差要因で生じる noncommon-mode error についても, 道路形状と車体軌跡とのマッチングを見ることにより解消するようになっている. 通信規格としては, 市販の無線 LAN(IEEE802.11b/g) を用い, 路側のセンサも GPS を用いた安価なものなので, 路車間通信のアプリケーションとしては, 低コストで実現できると主張している. このシステムは実際に公道実験が行われ, 道路中の車線変更など詳しい状況についても正確に推定できることが示されている. Figure.2: 動きを予測しにくい経路の例 Figure. 3: 路車間通信による GPS データの補正

3.3 SAFESPOT SAFESPOT は欧州の情報 / メディア総局と, 車メーカーが提携して進めているプロジェクトである. 交差点などでの局所的な安全支援や対象にしており, このプロジェクトの元さまざまな研究が行われている. Guzman らの研究もそのひとつである. 特に事故が多い交差点の安全に注目し, その状況を分析することによって事故の可能性を検出し, 運転者に警告を発する.

通信は米国の VII のものと同系統の, 5.9GHz IEEE802.11p を用いている. このアプリケーションは実地実験を経て, 通信速度などが十分であることを確認されている. 一方, 実験においては, 図のような状況で推定経路を間違えるといった問題等が報告されている. Figure.5 : 危険度の判定,Figure.4 のうち危険度の高いものほど赤い. Figure.6 : 誤りが起こる状況, 赤のラインを通ったときには青の車輌と交錯するが, ピンクのラインでは交錯しない.

3 3.3 SAFESPOT SAFESPOT は欧州の情報 / メディア総局と, 車メーカーが提携して進めているプロジェクトである. 交差点などでの局所的な安全支援や対象にしており, このプロジェクトの元さまざまな研究が行われている. Guzman らの研究もそのひとつである. 特に事故が多い交差点の安全に注目し, その状況を分析することによって事故の可能性を検出し, 運転者に警告を発する. 道路情報は,SAFESPOT のアーキテクチャでは, LDM(Local Dynamic Map) として提供される. そこに車々間, 路車間通信の情報を合わせることによって, Figure のようなさまざまな車輌が存在する状況においても, 危険度の高い車輌のみを見分け, 適切な警報を発することができる. また緊急車輌等の接近を感知し, 道を譲るための発報なども考えられている. 通信は米国の VII のものと同系統の, 5.9GHz IEEE802.11p を用いている. このアプリケーションは実地実験を経て, 通信速度などが十分であることを確認されている. 一方, 実験においては, 図のような状況で推定経路を間違えるといった問題等が報告されている. Figure.5 : 危険度の判定,Figure.4 のうち危険度の高いものほど赤い. Figure.6 : 誤りが起こる状況, 赤のラインを通ったときには青の車輌と交錯するが, ピンクのラインでは交錯しない. 3.4 California PATH Figure.4: 道路状況 California PATH (Partners for Advanced Transportation and Highways) は, カリフォルニア大学バークレイ校とカリフォルニア州交通局による共同研究であり,1988 年に開始されてから,ITS アプリケーションの開発評価を通して, 地上交通システムの改善を目的としているプロジェクトである. その一例として,Platoon 走行が挙げられる. Platoon 走行とは,Figure.7 のように, 高速道路などで一台の車の後に複数台の車が密に連なって, 車群を為して走行することであり, これによって道路あたりの交通量を増加させ, ドライバーの運転負担を軽減し, また長距離を移動する大型トラック等では空気抵抗の削減による燃費の改善などの効果が期待される. 一方で, 密な車群を形成して安全に走行するためには, 各種センサによる自律的な制御のみならず, ハンドリングやブレーキの情報をリアルタイ

7: California PATH における Platoon 走行 3.5 DEMO2000 日本での,Platoon 走行の例として,DEMO2000 によるものが挙げられる.DEMO2000 は,2000 年 11 月に経済産業省と自動車走行電子技術会, メーカー等が協力してつくば市で行った実験で, 先にあげた platoon 走行のうち, 特に車群の円滑な制御に重点を置いた走行デモである.

4 ムに通信して把握することが不可欠である. California PATH では, 横方向の制御には磁気ビーコンを使用し, 縦方向の車間距離においては, 赤外線センサと共に車々間の通信を用いた制御を行っている. 車間距離 10m 以下, 走行速度 100 km/h を想定し,30ms 毎の制御の為に, 市販の 900MHz 帯の Wireless LAN を用いた 122kbps, 100ms 毎の通信であり,Platoon 車群の配列変更などの機能を実験し, 成功を収めた. Figure.8: 車群の分流の様子 3.6 ETC Figure.7: California PATH における Platoon 走行 3.5 DEMO2000 日本での,Platoon 走行の例として,DEMO2000 によるものが挙げられる.DEMO2000 は,2000 年 11 月に経済産業省と自動車走行電子技術会, メーカー等が協力してつくば市で行った実験で, 先にあげた platoon 走行のうち, 特に車群の円滑な制御に重点を置いた走行デモである. 実験場ではなく実際の道路で platoon 走行を行うためには, さまざまな道路状況に対応しなければならない為, 車群の分割, 統合や複数車線に広がる分流 (Figure.8), 緊急車両への車線譲渡, 障害物回避等の機能を実装し, デモを行った. 一方で想定している車間距離はおよそ 20m 程度を想定し, 速度は 60km/h であることから,PATH に比べてより一般道向けの性格が強い. 通信方式としては,ETC にも用いられている 5.8GHz 帯の DSRC 規格通信 ( 詳細は後述 ) を改造したものを使用し,GPS データ, 速度, 障害物データを 30byte のデータ列として送受信する. 通信周期は 20ms 毎, 緊急時には 5ms 毎とすることでより安全性を高める配慮をしている. 典型的な, 道路と車輌が通信するアプリケーションの例として日本の ETC システムが上げられる. 日本の ETC では, 車輌と道路の両方に機器を設置して互いに通信する. 利用者が機器にセットするETC カードの情報からを読むことで利用者の特定をし, 決済を行うための双方向通信である. この通信規格は,ARIB 社団法人電波産業界によって STD-T75 として定義されており, アプリケーションとしての ETC に合致するような配慮がなされている. この規格は, 日本では特に DSRC と呼ばれる. ETC では, きわめて狭い範囲の中で, 対象の車 1 台と確実に通信をしなければならない. なおかつ, 交通流量を下げずに料金決済を行うという ETC の利点の為に, 通信時間は短くなければならない. そのため, DSRC では通信の MAC(Media Access Control) プロトコルに, 一般的な CSMA/CA(Collision Sencing Multiple Access/ Collision Avoidance) ではなく TDMA(Time Division Multiple Access) を採用している. MAC は,OSI 参照モデルのうちデータリンク層の 1 部をなすもので, 複数の送受信機がある場合などに, データを通信する順番などを決めるための仕組みである. 送信機が複数ある場合を考えると, なにもしていない場合はパケットを送るタイミングが同時になってしまった場合など, エラーが起きる可能性が高い ( 衝突 ). この問題を解決するため,CSMA/CA では, 一度送受信を試みて衝突がないことを確認してから, ランダムな待ち時間を置いて通信を開始する. (Figure.10(a)) 送信機の数に比較的自由度があり, 無線のように衝突の検出が難しい場合でも, 平均す

ると安定した動作をするので ( ベストエフォート型 ) 無線 LAN の規格に使われ,ITS でもノード数の変化が予想される車々間通信に良く用いられる. 一方, 待ち時間を毎回設定するため通信の確立が遅く, 衝突をすべて防ぎきれるわけではない. 一方で TDMA では, 受信機側がタイムスロットを割り振り, 送信機側に決められたタイミングで信号を送信してもらうことにより衝突を回避する.

7 ITS FORUM RC-006 日本での新しい規格として,700MHz 帯を用いた無線通信が ITS FORUM で提案され, それを使用するための研究が進められている. UHF である 700MHz 帯は, 今まで地上 TV アナログ波放送に用いられてきたが,2011 年より停波されるため, その一部が ITS 用に確保されることが決定している.

このうち, 回折の様子は電波の周波数によっても大きく変動し, 一般に周波数が低いほど直進性が低く回折して回り込みやすい. そのためこの規格には見通し外通信の性能向上にも寄与すると期待されている. この研究では, それらの影響を,FDTD というシミュレーション手法によって求めている. この手法は,.

5 ると安定した動作をするので ( ベストエフォート型 ) 無線 LAN の規格に使われ,ITS でもノード数の変化が予想される車々間通信に良く用いられる. 一方, 待ち時間を毎回設定するため通信の確立が遅く, 衝突をすべて防ぎきれるわけではない. 一方で TDMA では, 受信機側がタイムスロットを割り振り, 送信機側に決められたタイミングで信号を送信してもらうことにより衝突を回避する. (Figure.10(b)) 送信機の数の上限が存在するが, 確実に通信できる最低限度の保証が存在する ( ギャランティ型 ). そのため, 確実に通信できることが望まれる DSRC には TDMA が採用された. Figure.9: ETC システム (a) 3.7 ITS FORUM RC-006 日本での新しい規格として,700MHz 帯を用いた無線通信が ITS FORUM で提案され, それを使用するための研究が進められている. UHF である 700MHz 帯は, 今まで地上 TV アナログ波放送に用いられてきたが,2011 年より停波されるため, その一部が ITS 用に確保されることが決定している. らの研究では,700MHz の電波が, 交差点などでどのような伝わり方をするかをシミュレーションによって解析している. 交差点での電波伝搬の仕方は, 周囲の建物や歩行者等によって大きく影響される. 材質による反射透過率の違いや, 形状による回折の様子, また人体による減衰などがあるからである. このうち, 回折の様子は電波の周波数によっても大きく変動し, 一般に周波数が低いほど直進性が低く回折して回り込みやすい. そのためこの規格には見通し外通信の性能向上にも寄与すると期待されている. この研究では, それらの影響を,FDTD というシミュレーション手法によって求めている. この手法は,. 従来の研究では, 建築物を一様なコンクリートバルクとして解析していたのに対し, この研究では壁を有限厚みとし, 窓の有無や建材の導電率, 交差点付近に歩行者が居るかどうか等の詳細な設定をして解析をしている.(Figure.11) 実験結果によると, 窓の有無による違いが一番大きく, 交差点から 50m 離れた地点では, 考慮した場合としない場合で 30db 程度の違いが見られる. 一方で, 歩行者による減衰は, かなりの人数を想定しても 5db 程度であることがわかった. また, 彼らはインパルス波の応答解析も行い, 実際に窓からの透過波が大きな影響を及ぼしていることを示した. この研究では, 従来にくらべてより詳細な解析という位置づけなので, 周波数による比較は行われていない. 実際に 700MHz 帯の回析効果が期待できるかどうかの検証には, 公道実験が不可欠であろう. (b) Figure.10: CSMA/CA(a) と TDMA(b) の通信の比較

和田らは, 歩行者の歩く方向を推定し, その情報を利用することで位置推定の精度と危険性の判定精度を増した. また, 実環境で実験を行い,(Figure.13) 従来手法に比べて危険かそうでないかの判定がより正確に行えていることを示した. (a) Figure.

8 P-VCASS P-VCASS は, 和田らにより開発されている歩車間通信のアプリケーションである.

P-VCASS では人物の位置を GPS で測定し, 無線 LAN を用いて車輛に送信し, 衝突危険性の有無を判定して, ユーザーに発報する.(Figure.12) このとき, 想定される状況ではもともと歩行者と車輛の距離が近い等もあり, 危険性の判定に精度が要求される.

6 和田らは, 歩行者の歩く方向を推定し, その情報を利用することで位置推定の精度と危険性の判定精度を増した. また, 実環境で実験を行い,(Figure.13) 従来手法に比べて危険かそうでないかの判定がより正確に行えていることを示した. (a) Figure.12: P-VCASS の通信 (b) (c) (d) (e) Figure.11: 想定される交差点の詳細 (a) と, その状態における電波の伝播状況 (b)~(e), 色が赤いほど電波が強い. それぞれ壁の厚みや窓, 歩行者の有無に違いがある. 3.8 P-VCASS P-VCASS は, 和田らにより開発されている歩車間通信のアプリケーションである. 歩車間通信とは, 道路上でもっとも重要な保護対象である歩行者を守るために歩行者と車が直接通信するようなシステムであり, 歩行者が車輛に位置を知らせることによって, 特に交差点等見通しの悪い場所での衝突回避等に役立つとされている. P-VCASS では人物の位置を GPS で測定し, 無線 LAN を用いて車輛に送信し, 衝突危険性の有無を判定して, ユーザーに発報する.(Figure.12) このとき, 想定される状況ではもともと歩行者と車輛の距離が近い等もあり, 危険性の判定に精度が要求される. Figure.13: 実験での歩行者と車の交錯状況 4 アプリケーションの分類これまで紹介してきたアプリケーションを, その用途や通信規格によって分類することを考える. これをすることにより, どのようなアプリケーションに対してどのような規格が用いられているかという関係性がわかり, 他の ITS アプリケーションを開発する際の目安となる. 4.1 用途によるによる分類用途という点でみれば, まず安全かどうかという面からも分けられるが, ここでは通信対象と状況という点から見てみる. 通信対象はといえば, 車輛と車輛が直接通信する車々間通信, 道路に設置した機

7 アプリケーション通信規格 IEEE p 表.1: アプリケーションの分類車車間通信路車間通信歩車間通信高速道路交差点高速道路交差点交差点 California California VII PVCASS PATH PATH 5.8GHz DSRC Demo2000 ASV ETC UHF Band ITS FORUM RC-006 器と通信する路車間通信, 歩行者が持つ機器と通信する歩車間通信が挙げられる. また今回は挙げていないが, 車輛と車輛の通信を路側の機器が中継する車路車通信や, 広範囲に情報を伝達するために複数の車輛を中継するマルチホップ通信等に関する研究も行われてきている. 本稿で紹介した安全に関するアプリケーションが想定する環境としては, 主に高速道路と交差点のような状況にわけられる. 前者においては速度が早く重大事故につながりやすいため, 後者では見通しが悪く事故率が高いためである. アプリケーションの詳細もそれぞれ違い, 高速道路では事故情報や道路状況の伝播, 協調的な衝突防止があげられ, 交差点では出合い頭, 右左折での巻き込み防止等の用途が考えられる. 4.2 規格によるによる分類本稿であげた通信規格は 5.9GHzIEEE802.11p, 5.8GHzDSRC,700MHzUTFBand( 名称未定 ) の 3 つである.IEEE802.11p は主に欧米において使われようとしており, 無線 LAN 規格である IEEE802.11a を改変したものである.5.8GHzDSRC は, もともと ETC 用に規格化されたものであり, 車々間通信においては MAC 方式を変更したものが用いられている. UHFBand は現在日本で規格化されようとしているものであり, 低周波数による回り込み等が期待されている.IEEE802.11p は周波数変調方式に OFDM を用いることで伝送速度が速いことが特徴で,DSRC はその点は劣るものの, 前述したように MAC 方式に TDMA をサポートしているため路車間通信が安定してできる. さらに UHFBand の規格では OFDM が採用される見通しであるため, 日本ではこれから, 伝送速度が必要であるか, 交差点などの見通しが悪いところの通信には UHFBand を, それ以外の特に路車間通信等には DSRC の規格を用いるといった使い分けがなされるものだと思われる. 本稿で挙げた研究を以上の分類でまとめると表.1 のようになる. 空欄があいているところは, 必ずしも研究が存在しないわけではなく, 今回挙げていない研究も多数存在する. 歩車間通信や,UHFBand の利用については, 分野自体が新しいのであまり例がないが, これから様々な研究がなされるものと予想される. この表からわかるとおり, 欧米の規格と日本の規格両方において, 様々な研究が進められており, どちらを使うかの基準は, 主にどの国で行われている研究なのかという要素によって決まる. 一方で,ETC や UHFBand のように, アプリケーションの要請によって規格が決められている面も存在する. また同じ規格でも Demo2000 のようにアプリケーションに合わせて改変する例もある. 特に, 安全系においては遅延や信号の伝達確度が重要となってくるため, システムを構築する際には通信規格の性能が重要視される.ITS のアプリケーションに対して, 無線の規格によってどの程度の性能を発揮できるのか, 逆に ITS 用の無線規格にはどのような性能が要求されるのかを考慮する必要がある.

8 5 まとめ本稿では, 交通状況の改善の為近年実用化も進んできている ITS について紹介し, その要素として通信が重要であることを説明した. また, 最近のアプリケーションの研究例を挙げ, それらでは通信がどのような役割を果たしているのかを示すとともに, アプリケーションに合わせた通信方式の工夫などについても説明した. 最後に, アプリケーションをその用途と通信規格について分類し, その関係性を解説した. 6 参考文献 [1] T. Okugi, et al., 車車間通信を利用した安全運転支援システムの公道検証, ITS シンポジウム 2009, pp [2] Q. He and K. L. Head, Pseudo-Lane-Level, Low-Cost GPS Positioning with Vehicle-to-Infrastructure Communication and Driving Event Detection, 13th International IEEE Annual Conference on Intelligent Transportation Systems, 2010 [3] J. I. Guzman, et al., Vehicle to Vehicle communications applied to Road Intersection Safety, Field Results, 13th International IEEE Annual Conference on Intelligent Transportation Systems, 2010 [4] J. A. Misener, and S. E. Shladover, PATH Investigations in Vehicle-Roadside Cooperation and Safety: A Foundation for Safety and Vehicle-Infrastructure Integration Research, IEEE Intelligent Transportation Systems Conference, 2006 [5] S. Tugawa, et al., デモ 2000 協調走行概要, 電子情報通信学会技術研究報告. ITS 100(576), pp , 2001 [6] Y. Shibayama, et al., 車車間通信を目的とした交差点における 700MHz 帯 FDTD 電波伝搬解析, ITS シンポジウム 2009, pp [7] T.Wada, et al. Pedestrian Oriented Vehicular Collision Avoidance Support System: P-VCASS, IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences E93. A(4), pp , 2010

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<4D F736F F D2095F18D908F C4816A F C52E646F63> 第 2 章 ITS 安全運転支援無線システムの在り方 2.1 車車間通信と路車間通信の共用 ITS 安全運転支援無線システムは見通しの悪い交差点などで車両同士が情報をやり取りする無線通信によって安全運転を支援する車車間通信システムインフラからの情報 ( 信号機情報規制情報歩行者情報など ) を路側機から車両に対し電波による無線通信を介して安全運転を支援する路車間通信がある図 2.1-1