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Caratterizzazione su larga scala della comunicazione tra veicoli in ambito urbano

Le reti veicolari sono sistemi di comunicazione su larga scala che sfruttano tecnologie wireless per interconnettere autoveicoli in movimento. Il principio è quello di far 'parlare' i veicoli - tra loro o con una infrastrutture di comunicazione dedicata - attraverso segnali a radiofrequenza simili a quelli utilizzati per la tecnologia Wi-Fi, in modo da costruire reti autonome in aree urbane o lungo autostrade.

Si prevede che le reti veicolari saranno utilizzate per fornire ai conducenti informazioni in tempo reale su potenziali pericoli, sulle condizioni del traffico e sui tempi previsti di viaggio. Sfruttando tali dati, i conducenti (od i veicoli medesimi in caso siano richiesti tempi di reazione all'ordine di millisecondi) potranno evitare incidenti ed ingorghi. Allo stesso modo, i conducenti potranno ricevere con largo anticipo notifiche sull'avvicinamento di mezzi di emergenza. Inoltre, le reti veicolari potranno essere sfruttate per la raccolta di dati, consentendo cosi la realizzazione di applicazioni relative al controllo del traffico stradale, alle gestione dinamica dei semafori od all'attribuzione di responsabilità in caso di incidenti.

Oggi più di un decennio dopo l'assegnazione di bande di frequenza dedicate negli Stati Uniti le reti veicolari cominciano ad affacciarsi sul mondo reale, spinte da organismi di standardizzazione (che hanno portato alla definizione di norme dedicate come IEEE 802.11p, IEEE 1609, OSI CALM-M5 e ETSI ITS) e dall'industria automobilistica.

Come in qualsiasi altra rete di comunicazione, le proprietà delle reti veicolari sono determinate principalmente dalla topologia della rete, vale a dire, dal modo in cui i nodi (i veicoli nel nostro caso) sono collegati in tecnologia wireless tra loro in un "grafo di connettività" della rete. La conoscenza delle proprietà del grafo di connettività permette di determinare le capacità della rete, i suoi punti di forza e le sue debolezze. In generale, si tratta di uno strumento importante per la progettazione di protocolli di comunicazione dedicati.

Nel caso delle reti veicolari, tale grafo di connettività è particolarmente difficile da caratterizzare, dal momento che è dinamico (data la velocità a cui viaggiano le autovetture, i collegamenti tra di esse durano tipicamente poche decine di secondi) ed ha forti connotazioni spazio-temporali variabili (ad esempio, le topologie di una rete veicolare nelle ore di punta e durante la notte sono molto diverse, e lo stesso vale per quelle osservabili nei centri urbani e lungo le strade periferiche).

Ciò nonostante, i grafi associati alle reti veicolari sono ancora un oggetto misterioso se considerati su grandi scale. In ambito urbano in particolare, non abbiamo una risposta a domande fondamentali quali:
la rete veicolare è strutturalmente ben connessa e solida o piuttosto partizionata in piccoli gruppi di autoveicoli? Quali dimensioni possono raggiungere tali gruppi di veicoli? Qual è la loro struttura interna? Con quanti veicoli è possibile comunicare ad ogni istante? Come variano nel tempo tutte queste caratteristiche di connettività di rete? E come dipendono dalla geografia urbana?

Il nostro scopo è caratterizzare la topologia istantanea di una rete veicolare e di fornire risposte alle domande di cui sopra. A tal fine, ci siamo concentrati sul case study rappresentato dalla città di Colonia, in Germania, un tipico centro europeo di medie dimensioni. Tale scelta è stata dettata dalla disponibilità di un insieme di dati relativi al traffico stradale, con la posizione ad ogni secondo di ciascun autoveicolo in un'area di circa 400 km quadrati in un arco temporale di 24 ore. Una parte dei dati in questione è disponibile all'indirizzo http://kolntrace.project.citi-lab.fr. Sfruttando tecniche originate nell'ambito della scienza delle reti complesse, abbiamo ottenuto risultati riguardo alle limitazioni significative della topologia in termini di connettività, disponibilità, affidabilità e navigabilità, sia a livello globale di rete che all'interno dei singoli gruppi di veicoli connessi tra loro. Abbiamo anche identificato la natura della struttura della rete veicolare in Colonia, composta di veicoli raccolti in cliques (ovvero piccoli gruppi localizzati geograficamente e fortemente connessi tra loro) le quali sono collegate tramite connessioni intermittenti e con capacità limitata di trasferire dati.

Nel complesso, la topologia della rete veicolare appare inadatta a comunicazioni a medio e lungo raggio, per cui in tali casi appare conveniente ricorrere alla tradizionale comunicazione cellulare. La rete veicolare sembra invece adattarsi meglio a trasferimenti di dati senza particolari esigenze di qualità di servizio e scambiati all'interno di aree localizzate.