Radio; het fundament van ITS

nmmagazine-2014-1-radio

Zonder draadloze communicatie geen intelligente transportsystemen – dat mag voor zich spreken. Maar welke technologieën gebruiken we in het verkeer? Wat zijn hun kenmerken, voordelen en beperkingen? In deze bijdrage gaan we dieper in op de ‘onzichtbare kracht’ die verkeerskundigen in staat stelt het wegennet veiliger en beter te benutten.

Artikel uit NM-Magazine, maart 2014 - ook beschikbaar in pdf

In 1886 ontdekte Rudolf Hertz golven in de vorm van elektromagnetische straling met golfl engten, ook wel radiogolven genoemd. Zoals zoveel wetenschappers uit die tijd zag Hertz geen praktische toepassing voor zijn ontdekking. "Het is van geen enkel nut”, zou hij gezegd hebben. “Het is slechts een experiment dat bewijst dat Maestro Maxwell gelijk had.” Toen een van zijn studenten hem vroeg: “Wat nu?”, antwoordde hij: “Niets, denk ik.” Maar dat liep anders. In 1894 ging de toen de jonge Italiaanse ingenieur Guglielmo Marconi experimenteren met de 'hertz-golven'. In 1895 lukte het hem als eerste om een radioverbinding van enkele kilometers te maken – waarmee hij de vader werd van de draadloze communicatie.

Fundament onder ITS

Misschien zouden we Marconi ook een beetje de vader van intelligente transportsystemen kunnen noemen. Want simpel gesteld: zonder draadloze communicatie geen ITS. Voor ITS zijn immers talloze 'lijntjes' nodig tussen de centrale en de voertuigen, tussen wegkantsystemen en voertuigen en tussen voertuigen onderling. Hoog tijd om eens stil te staan bij de wijze waarop radiogolven worden toegepast om een slimmer verkeer mogelijk te maken. Allereerst: welke draadloze toepassingen onderscheiden we eigenlijk in ons vakgebied? En welke radiotechnologieën liggen daaraan ten grondslag?

In beeld brengen van de eigen omgeving

Wil een slimme auto kunnen meedenken met zijn bestuurder, dan moet hij minimaal een beeld hebben van z’n omgeving. Voor die toepassing hebben we de radar nodig, Radio Detection and Ranging. Een radar zendt radiogolven uit en bepaalt aan de hand van teruggekaatste golven de afstand, snelheid en richting van het gedetecteerde object ten opzichte van de eigen positie, snelheid en richting. Doordat een radar met radiogolven werkt, is hij redelijk ongevoelig voor weersomstandigheden, ongevoeliger dan bijvoorbeeld videocamera’s of infraroodsystemen. Nieuw is Lidar, Light Detection and Ranging of Laser Imaging Detection and Ranging, dat in plaats van radargolven gebruikt maakt van laserpulsen.
Grofweg gesproken gebruiken we voor ITS-toepassingen twee typen radars. Het eerste type automotive radar-sensoren detecteert objecten rondom het voertuig, binnen een straal van zo’n 40 meter. Deze sensoren leveren de detectiedata voor bestuurdersondersteuningsfuncties, zoals collission avoidance, stop-and-go en lane change support. Een tweede type detecteert objecten in de baan vóór het voertuig over een afstand tot 150 meter. De detectiedata die het voertuig hiermee verzamelt, zijn belangrijk voor bijvoorbeeld autonomous cruise control.

Ad-hoc netwerken in het verkeer

Waarnemen wat er om je heen gebeurt is essentieel, maar ITS wordt pas echt interessant als ons voertuig ook kan communiceren met de directe omgeving. Voor deze toepassing is ITS G5 bedoeld, ook wel 802.11p genoemd: een radiosysteem specifi ek ontwikkeld voor voertuig-voertuig- (V2V) en voertuig-infrastructuur- (V2I) communicatie. ‘Specifiek’ houdt in dat er een frequentieband voor is gereserveerd (5,9 GHz) en dat er veel aandacht wordt besteed aan de snelheid en voorspelbaarheid van communiceren. ITS G5 bouwt voort op de technologie van het bekende wifi.
Met ITS G5 wordt het mogelijk ad-hoc communicatienetwerken op te bouwen rond voertuigen met andere (passerende) voertuigen en rond een wegkantstation. ITS G5 hanteert een ‘broadcast’-mechanisme: het zendt berichten uit in de omgeving, die door iedereen in die omgeving kunnen worden ontvangen.

Opzetten van één-op-één verbindingen

Voor veel ITS-diensten is het ook belangrijk een continue één-op-één verbinding te hebben, bijvoorbeeld met de serviceprovider. Hiervoor is een cellulair communicatiesysteem geschikt. Dit systeem, dat we kennen van onze mobiele telefoon, maakt gebruik van een netwerk van bakens, waarbij elk baken een landsdeel afdekt. We onderscheiden macrocellen (straal van 1 km tot 30 km), microcellen (200 m tot 2 km) en picocellen (tot 200 m). Binnen zo’n cel kan het mobiele apparaat – in het geval van ITS een smartphone, navigatiesysteem of in-car systeem – via het baken en het achterliggende centrale telefoniesysteem een verbinding opzetten met de computers van de serviceprovider of verkeerscentrale. Wanneer het mobiele apparaat zich verplaatst, zal het onderweg van de ene baken naar de andere worden overgedragen.
Een cellulair communicatiesysteem komt in generaties: 2G (GSM), 2,5G (GPRS), 3G (UMTS) en als laatste generatie 4G (LTE). Iedere generatie brengt meer bandbreedte en een kleinere vertraging (latency) in de communicatie. De winst aan bandbreedte kan worden gebruikt om grotere datasets over te sturen. De kleinere vertraging leidt tot een hogere en meer voorspelbare reactiesnelheid.

Breed uitzenden van informatie voor iedereen die ‘luistert’

Het is voor wegbeheerders en serviceproviders ook nuttig om in één keer informatie te kunnen uitzenden aan een grote groep voertuigen. Voor die eenrichtingverkeer-communicatie is de good old radio zeer geschikt: een radiozendmast beslaat met gemak een gebied van tientallen vierkante kilometers.
Naast de alom bekende analoge radio ontwikkelt de digitale radio zich tot een volwaardige opvolger. Met RDS, radio data signal, is reeds een digitaal kanaal toegevoegd aan het analoge radiosignaal. Over RDS worden in Europa al enige jaren verkeersberichten uitgezonden, via het traffic message channel (TMC). Verreweg de meeste radio- en navigatiesystemen kunnen RDS/TMC-berichten ontvangen en gebruiken. Nieuw is de volledig digitale radio DAB, digital audio broadcast. DAB kan worden aangevuld met TPEG, een standaard voor het taalonafhankelijk communiceren van verkeersinformatie. TPEG is (gedeeltelijk) een doorontwikkeling op TMC. Het ondersteunt verkeersinformatie, openbaarvervoerinformatie en locatie-informatie. Daarnaast wordt nog een aantal uitbreidingen ontwikkeld voor onder meer parkeerinformatie, verkeersopstoppingen, reistijd en weersinformatie. Om DAB/TPEG te ontvangen, dient het voertuig te beschikken over een DAB-ontvanger. De meeste moderne autoradio’s en navigatiesystemen beschikken over zo’n ontvanger. Er zijn ook cradles en voedingssnoeren met DAB-ontvanger op de markt. DAB/TPEG is al in gebruik in onder andere het Verenigd Koninkrijk en Duitsland.

In het bovenstaande hebben we al de ‘typische’ toepassingen per communicatietechnologie benoemd. In figuur 1 (zie pdf) staan de verschillende toepassingen nog eens gepositioneerd ten opzichte van de benodigde snelheid van communiceren en de vereiste nauwkeurigheid in positionering. In de figuur is ook aangegeven voor welke functie welk radiosysteem het meest aangewezen is. Wat goed zichtbaar is, is dat er geen ‘universeel’ systeem bestaat: de verschillende technologieën vullen elkaar aan en sluiten elkaar zeker niet uit. In slimme voertuigen zul je ze dan ook allemaal terugvinden.
Een interessante rangschikking is ook die in figuur 2 (zie pdf), waarin de gebruiksmogelijkheden staan weergegeven naar doorstroming en veiligheid én naar de categorie voertuiggebonden en reizigersgebonden. Dankzij mobiel internet op onze smartphone, over 2,5G, 3G of 4G, kunnen we immers ook buiten de auto connected blijven met onze ITS-serviceprovider – zie het kader in de pdf.

Positionering van het voertuig in de tijd

Zoals al is aangestipt in figuur 1, hangt het gebruiksnut van een radiosysteem mede af van de mogelijkheid het voertuig of de reizigerjuist te positioneren op het wegennet of op de rijbaan. Bij radar is dit
impliciet aan de technologie. Verkeersinformatie en informatie over verkeersopstoppingen hebben alleen zin, wanneer de ontvanger deze informatie kan koppelen aan een locatie op het wegennet en bij voorkeur op de rijbaan. En een ad hoc-netwerk opgebouwd via ITS G5 wint aan waarde wanneer de voertuigen in dat netwerk goed op de rijbaan kunnen worden gepositioneerd. Daarbij gaat het overigens niet alleen om de positie als zodanig: het gaat om de positie op dat ene moment in de tijd. Ruimte en tijd zijn ook nu hard aan elkaar gekoppeld.
Er zijn verschillende technieken beschikbaar die gebruik maken van radiogolven om positielijnen of de positie van een (bewegend) object te bepalen. Een bekende manier is zogenaamde driepuntsberekening in combinatie met mobiele communicatiesystemen als GSM, UMTS en LTE. Wanneer minimaal drie basisstations de aankomsttijd van het signaal van een mobiel toestel registreren, is het mogelijk om via een driepuntsberekening het mobiele toestel te lokaliseren – op voorwaarde dat de kloksignalen van de betreffende basisstations synchroon lopen. Een beperking van deze manier van locatiebepaling is de geografische variatie in nauwkeurigheid: de nauwkeurigheid van de positionering valt immers één-op-één samen met de configuratie van cellulaire communicatienetwerken. In stedelijk gebied zijn communicatiecellen bijvoorbeeld kleiner dan in landelijk gebied om het grotere aantal mobiele telefoons aan te kunnen, wat resulteert in een hogere nauwkeurigheid in positionering.

Een techniek met een hogere en meer gelijkmatige nauwkeurigheid van positioneren is satellietnavigatie. Bekende systemen voor satellietnavigatie met een wereldwijde dekking zijn GPS (USA), Galileo (EU) en GLONASS (Rusland). Deze systemen worden ook wel aangeduid als GNSS of Global Navigation Satellite System. De nauwkeurigheid van de positie bedraagt 10 tot 15 meter op de autosnelweg. In de stad ligt het iets ingewikkelder: hoge gebouwen kunnen daar een goede ontvangst bemoeilijken en ook kan zich het multipath-effect voordoen, waarbij de GPS-ontvanger oneigenlijke signalen ontvangt als gevolg van reflecties van de signalen op de bebouwing.
Hoe dan ook, zoals uit figuur 1 blijkt, is zelfs 10 tot 15 meter nog niet genoeg. Eigenlijk moeten we een voertuig kunnen positioneren op rijstrookniveau, dus met een nauwkeurigheid van 1 meter. Om dat mogelijk te maken wordt er nu hard aan de satelliettechnologie gesleuteld. Voor de korte termijn zijn er de systemen die het op aarde ontvangen GPS-signaal corrigeren voor onder meer ionosferische storingen, variaties in de satellietbanen of klokfouten: EGNOS (EU), WAAS (USA) en MSAS (Japan). Een nieuwe variant is Precise Point Positioning, ontwikkeld door kennisinstellingen, waaronder de TU Delft. Het is deze variant die TU Delft, TomTom en Technolution beproeven in het Brabant In-car III-project ‘Dynamic Lane Guidance’. Voor de langere termijn wordt de verhoogde nauwkeurigheid in de positionering van voertuigen en reizigers vooral gezocht in het werken met dubbele sets van satellietsignalen. Zo zal iedere GPS-satelliet voor de civiele markt op twee verschillende frequenties uitzenden. GPS-ontvangers kunnen dan zelf de ontvangen signalen corrigeren voor ionosferische storingen, variaties in de satellietbanen of klokfouten. Daarnaast komen er steeds meer technieken vrij voor het  corrigeren van het multipath-effect.

Verborgen kracht

We zijn wellicht geneigd om bij ITS vooral te focussen op de fraaie toepassingen in de auto, maar duidelijk is dat onder ITS een stevig fundament ligt van verschillende, deels overlappende communicatietechnologieën. Met die technologieën, in feite uitwerkingen van Marconi’s eerst radio, zijn slimme en gerichte diensten mogelijk. Daarmee vormen ze de ‘onzichtbare kracht’ die verkeerskundigen in staat stelt het wegennet veiliger en beter te benutten.

De auteurs

Coen Bresser was Business Developer bij Technolution

Gerelateerde items

Reistijd; wat is het belang en hoe meten we het?

Lees meer

Publicatie

Optimalisatie binnenvaart informatiesysteem BICS2

Lees meer

Project

Spitsvrij verlengd tot voorjaar 2014

Lees meer

Nieuws