A 5G internet of vehicles system for vulnerable road users protection

Road safety is one of the major aspects people are concerned about when vehicles are involved, with security focus being twofold, related to the driver him/herself or related to the so-called vulnerable road users (VRUs). It is undeniable that both scenarios are of relevant importance, but it is also true that VRUs come off worse, if not deceased, in case of accidents. Thus, it is of key importance to find the most efficient way to prevent, or mitigate as much as possible, road accidents. Many companies, governments and universities are investing money, time and resources in vehicular communications leveraging the next generation cellular networks, such as 5G and beyond technologies, to make cellular vehicle-to-everything (C-V2X) communication a reality. Vehicles can also communicate with the surrounding roadside infrastructure (vehicle-to-infrastructure communication – V2I) always thanks to the new cutting edge cellular technology. Since a vehicle is a physical object equipped with sensors, processing ability, software and other technologies that connect and exchange data with other devices and systems over the Internet, it can be considered a fully-fledged Internet of things (IoT) device and more specifically making part of the Internet of vehicles (IoV) network. The IoV makes vehicles to act like sensor platforms, which absorb information from the environment, other vehicles and from the driver thus creating a network with intelligent devices as participants. The aim is to make navigation safer, manage traffic, and control pollution. An IoV network can be set up only if a proper communication protocol is used, and the message queue telemetry transport (MQTT) protocol is one of the most promising among lightweight, low-latency and secure protocols currently available in the IoT ecosystem. The roadside infrastructure, like cameras, traffic lights, etc., exploits 4G/5G cellular technology, MQTT and the IoV network, to send messages related to the status of VRUs (e.g. their position, velocity, walking direction, etc.) to the vehicles, in order for these last to take actions (e.g., braking or steering) ultimately avoiding or mitigating a hazardous situation. ii | Abstract This thesis work has been conducted in the framework of the “Broadband interfAces and services for Smart Environments enabled by 5G technologies” (BASE5G) macro-project, funded by Regione Lombardia, coordinated by Politecnico di Milano and in collaboration with AKKA Technologies and Vodafone. The VRUs parameters mentioned above have been extracted thanks to a previous work [1] in the context of the same macro-project. Of vital importance is the time this information takes to go from the roadside infrastructure to the vehicle, that is the latency, and the goal of this thesis work has been to build on what was previously done in [1] and devise a communication architecture enabling the sending of VRUs parameters by the roadside infrastructure and the reception of these by the vehicle. This architecture will be implemented and evaluated exploiting the MQTT protocol, according to these aspects: average latency, stability, reliability and security level. The paradigm of the communication service will also be considered in the evaluation process, that is a local implementation on a machine or a cloud version, as well as the type of the connection to the Internet (Ethernet or WiFi).

La sicurezza stradale è uno degli aspetti più critici quando sono coinvolti veicoli su ruote ed in particolare ci si concentra sia sull’incolumità del conducente che su quella dei cosiddetti utenti stradali vulnerabili (vulnerable road users – VRUs). Entrambi i casi sono molto rilevanti ma allo stesso tempo è vero che i VRUs sono coloro che hanno la peggio, o addirittura decedono, in caso di incidenti stradali. É di fondamentale importanza, quindi, trovare il modo più efficiente per prevenire, o mitigare il più possibile, gli incidenti. Molte compagnie, governi ed università investono denaro, tempo e risorse nella comunicazione veicolare facendo leva su reti cellulari di nuova generazione, come le tecnologie 5G and beyond, per rendere realtà la comunicazione veicolare verso qualsiasi cosa (cellular vehicle-to-everything – C-V2X). I veicoli possono anche comunicare con l’infrastruttura circostante (vehicle-to-infrastructure communication – V2I) sempre grazie alla suddetta tecnologia cellullare all’avanguardia. Dato che un veicolo è un oggetto fisico equipaggiato con sensori, capacità di processazione dei dati, software e altre tecnologie che si connettono e scambiano dati con altri dispositivi e sistemi tramite Internet, esso può essere considerato a tutti gli effetti un dispositivo facente parte dell’Internet delle cose (Internet of things – IoT) e più nello specifico della rete Internet dei veicoli (Internet of vehicles – IoV). La rete IoV fa in modo che i veicoli agiscano come piattaforme di sensori, assorbendo informazioni dall’ambiente, da altri veicoli e dal conducente, creando quindi un rete costituita da dispositivi intelligenti. Così facendo, la navigazione può essere resa più sicura, il traffico meglio gestito e l’inquinamento controllato. La rete IoV può essere messa in piedi solo se supportata da un opportuno protocollo di comunicazione e message queue telemetry transport (MQTT) è uno dei più promettenti nell’ecosistema IoT per quanto riguarda bassa richiesta di risorse computazionali, bassa latenza e sicurezza. La struttura a bordo strada, come videocamere, semafori, ecc., sfrutta la rete 4G/5G, MQTT e la rete IoV per inviare messaggi contenenti le informazioni relative ai VRUs (posizione, velocità, direzione, ecc.) ai veicoli, cosicché questi possano frenare o sterzare riuscendo ad evitare o mitigare una situazione di pericolo. Questo lavoro di tesi è stato condotto nell’ambito del macro-progetto “Broadband interfAces and services for Smart Environments enabled by 5G technologies” (BASE5G), finanziato da Regione Lombardia, coordinato dal Politecnico di Milano e in collaborazione con AKKA Technologies e Vodafone. I parametri dei VRUs menzionati precedentemente sono stati estratti in un lavoro precedente [1] nel contesto dello stesso macro-progetto. Di vitale importanza è il tempo impiegato dal messaggio per arrivare dall’infrastruttura a bordo strada al veicolo, cioè la latenza, e l’obiettivo di questo lavoro di tesi è stato quello di sfruttare i risultati ottenuti in [1] e ideare un’architettura di comunicazione che renda possibile l’invio, da parte dell’infrastruttura a bordo strada, e la ricezione, da parte del veicolo, dei parametri relativi ai VRUs. Questa architettura sarà implementata utilizzando il protocollo MQTT e valutata secondo i seguenti aspetti: latenza media, stabilità, affidabilità e livello di sicurezza. Il tipo di paradigma di erogazione dei servizi, il quale può essere un’implementazione locale oppure cloud, verrà anche considerato nel processo di valutazione così come il tipo di connessione Internet (Ethernet oppure WiFi).