2011年5月13日電子航法研究会＠東京海洋大学

安全運転支援のための車々間通信〜高密度端末環境でのアクセス方式〜

情報通信研究機構/ATR適応コミュニケーション研究所
三浦 龍
ATR適応コミュニケーション研究所
小花 貞夫

内容

1. 研究開発の目標
2. CDMAをベースとしたアクセス制御方式の特徴− CSMA/CAと比較して

3. 高レスポンス車車間通信方式MM-SA
4. 歩車間通信におけるアクセス方式
5. おわりに2１．研究開発の背景と目標

3

背景
IT新改革戦略 【IT戦略本部、平成18年1月】
世界一安全な道路交通社会をめざして

目標:2012年末の年間交通事故死者数5,000人以下を達成(現在 約7,000人／年)

警察庁ホームページ
警察庁交通局 平成20年2月27日「平成19年度中の交通事故の発生状況」から抜粋

交通事故発生場所と事故原因
交差点

事故原因：
運転手の「発見」「判断」「操作」の遅れが原因の大半交差点

交差点付近

事故件数（×100）

カーブ

死亡事件数

直線路等

その他

0500

1000

1500

2000

2500

3000

350040004500

事故件数（平成18年度）

交通安全マップ(http://www.kotsu-anzen.jp）の事故集計情報を引用

車車間通信は有力な解決手段のひとつ

研究開発の概要
高いレスポンス性と信頼性を備えた移動体端末間のマルチホップ自律無線通信システム- 安全運転を支援するための車々間通信への応用を想定- 従来技術（CSMA/CA方式）では高い車両密度環境への対応が困難

位置、スピード、ブレーキ情報等

6交差点での出会い頭衝突

B車はこのまま進むとA車と交差点で衝突する

A車

特に、建物により見通し悪い場合など危険B車

A車は左右をよく確認せずに交差点に進入しようとしている

車車間通信による出会い頭衝突防止シナリオ

自分の位置や速度の情報を周期的に周囲のクルマに通知

B車
A車

B車からの信号を受信し、B車と衝突の危険があることをドライバーに警告

交差点での右折衝突

A車は対向車（Ｂ車）が接近していることに気付かず、右折を開始

B車はこのまま進むとA車と交差点で衝突する

A車B車
特に、交差点の真ん中に大型車両が右折待ちをしていて見通しが悪い場合など危険車車間通信による右折衝突防止シナリオ
B車からの信号を受信し、B車と衝突の危険があることをドライバーに警告

自分の位置や速度の情報を周期的に周囲のクルマに通知

A車
B車

車車間通信の標準化動向
欧米： IEEE 802.11p/1609-WAVE
MAC 方式: CSMA/CAベース
周波数: 5.9 GHz 帯 (10 MHz × n ch)- 米国と欧州はIEEE802.11p/1609の採用を検討。
- 安全運転支援のための具体的な通信要件は規定されていない。

日本： ITS情報通信システム推進会議
実験用ガイドライン（RC-005/RC-006)
MAC 方式: CSMA/CAベース
周波数： (RC-005) 5.8 GHz 帯 (4.096 MHz ×14 ch )(RC-006) 700 MHz 帯(10 MHz ×1 ch )- ASV(*)において安全運転支援のための通信要件を詳細に規定。
- IEEE802.11p と一部技術を共通化。
- 国内での標準化作業は進行中。.
(*) Advanced Safety Vehicle Consortium

研究開発がめざす性能目標
 多数の車両が自律分散的にパケット送信する環境 建物などによる遮へいやマルチパスフェージングが発生する環境
において、


確実に相手車両にパケットを届かせること（高信頼性）
 ASV要件：サービスエリア内において１パケット当りの到達率８０％以上
 サービスエリア内におけるパケット到達率が８０％以上の場所の割合（場所率）が１００％


瞬時に相手車両にパケットを届かせること（低遅延性）
 できるだけリアルタイムで情報を届けるため、パケット送信から受信まで（エンドツーエンド）のパケット到達遅延時間（レスポンス時間）が数ミリ秒以下

CSMA/CA以外のアクセス方式によるアプローチ…にチャレンジ12

従来技術と今回開発した技術
従来技術

CSMA/CA方式がベース

 無線LANに広く利用 (IEEE802.11)
 キャリアセンスに基づくアクセス制御
 高密度端末環境では遅延時間やパケット到達率の特性が低下
開発した技術自律分散型 CDMA方式がベース(送信電力制御なし)

 ＣＤＭＡをベースに、周波数チャネル制御、パケット転送制御、送信タイミング制御の技術を開発、効果的に組み合わせ − 「マルチキャリア・マルチコード・スプレッドアロハ (MM-SA)方式」と呼称
 マルチホップ転送制御との親和性が高い 高密度端末環境での遅延時間とパケット到達率が著しく改善
 次世代の車々間通信方式として、国内標準化活動に反映
13

CSMA/CA方式

１ケタ以上の改善

パケット遅延時間 (msec)

研究開発目標：
車車間通信システムの低遅延化と高信頼性化の両立

革新的な技術で限界を超える

ATR MM-SA方式（自律分散型CDMA + マルチホップ）
高対象サービスエリア内で80％以上を実現

低パケット到達率

MM-SA： マルチキャリア・マルチコード・スプレッドアロハ（CDMAをベースとしたアクセス制御方式）
14

２．CDMAをベースとしたアクセス制御方式の特徴− CSMA/CAと比較して15従来方式がベースとするCSMA/CAの原理
おーい、Aさん！

他の人がしゃべってるので黙っていよう！

B
他の人がしゃべってるので黙っていよう！
他の人がしゃべってるので黙っていよう！

C
隠れ端末

誰もしゃべっていないから大丈夫だろう！

A

おーい、Aさん！

どちらも聞
こえない…

1つの広い部屋を多人数で使用するイメージ（全員が日本人で、日本語を喋る）○ 喋る前に「耳を澄まして」誰も喋っていないか確認する。
○ 誰も喋っていなければ喋る。
○ みんなが同時に喋らない。

● 人数が増えてくるとなかなか喋べれるタイミングがない。沢山待たないといけない。
● 近くの人と喋る場合も待たないといけない。
● 互いに離れた別々の人（BとC）が同時に喋ってしまい、どちらも聞き取れなくなってしまうことがある。

16

CSMA/CA方式車車間通信の問題点
B車からは認識できない位置の車両が干渉（隠れ端末問題）

Ｂ車からみて
隠れ端末

B車
A車

車両台数が増えてくると待ち時間が長くなる

周辺車両台数が増えて負荷が高くなると、パケットどうしの衝突や信号の到達に大きな遅延が発生し、事故に間に合わない！
17

提案方式がベースとするCDMAの原理
Thank you（英）ありがとう(日）

Merci（仏）
遠近効果

Danke（独）C
たすけて！(日）
直接はAには聞こえないBA
伝言してあげよう

1つの広い部屋を多人数で使用するイメージ（A,B,Cが日本人、他の人は別の言語）○ 喋りたい時は、待つことなくいつでも喋れる。
○ 言語が違えば、同時に喋られても聞き分けられる。
○ 人数が増えても近くの人とは必ず喋れる。
（遠近効果の活用）● 近くの人が喋ると遠くにいる人(C)の声が聞こえない。
＝＞近くの人が伝言してくれると遠くの人とも喋れる。
18

CSMAとCDMAの基本特性比較

車両間隔：2550 m

車両間隔：1

道路条件
道路幅：3m
片側2車線
壁なし

受信車両値

送信周期 (msec)

100

パケット長 (bit)1112

拡散率（倍）

7

誤り訂正符号なし（CDMA）
ターボ符号(CSMA)(符号化率1/3)

転送制御なし伝搬路モデル

自由空間ロス（見通し伝搬）

1.0
車両台数, 平均車頭間距離

CSMA方式

0.8100台, 44m200台, 22m

パケット到達率

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ条件

300台, 14.7m0.6400台, 11m0.40.20.0135791113151719212325

車両間隔［車両数］
車両間隔（送信車両から受信車両までの車両台数）

1.0550 m

CSMA パケット到達率が車両台数に強く依存（近くの車両からの信号も届かない可能性）
CDMA
 遠方より近傍の車両の影響を強く受ける（遠近効果）
 近くの車両からの信号は確実に届く 車両台数には依存しない マルチホップとの親和性が高い

パケット到達率

車両台数, 平均車頭間距CDMA方式

0.8100台, 44m200台, 22m

0.6300台, 14.7m400台, 11m

0.40.20.0135791113151719212325

車両間隔（送信車両から受信車両までの車両台数）
車両間隔［車両数］

19

３．高レスポンス車車間通信方式
MM-SA

20

MM-SA方式 Multi-carrier Multi-code Spread Aloha周波数分割とスペクトル拡散技術を併用して無線チャネルを分割
マルチホップ転送により遠近効果を制御して他車からの干渉を抑制−マルチホップ転送による通信−距離の拡大と遮へいの克服
南北方向下り −遠近効果を利用した確実な転送：f2チャネル

南北方向上りf4チャネル：

東西方向 上り：︵送信車両（f3ﾁｬﾈﾙ送信）

スペクトル拡散- キャリアセンス不要- バックオフ時間なし︶

別不チ要
ャ信ネ号
ル

f1チャネル

受信車両（f3ﾁｬﾈﾙ受信）○ 周波数は、道路の方向と車線によって4チャネルに分割○ スペクトル拡散符号は各車にランダムに割り当て

東西方向 下り：

f3チャネル

異なる車線上のクルマから届く各パケッ
トは周波数で分離
拡散符号によるパケット衝突時でもパケット再生
遠近効果による遠方からのパケット抑圧（隠れ端末干渉の軽減）

高いパケット到達率と高速なレスポンスの実現
21

MM-SA: 中継転送と送信タイミング制御〜同時にパケットを生成・送信する車両どうしの干渉を回避しつつ遠くにパケットを届ける〜

冗長な中継転送の抑制と転送パケットの衝突を回避
エリアベース中継転送

近接車両間の送信タイミング制御●車両前方の特定のエリア内でかつ同一進行方向の車両のみ転送（例えば、車両の前方 100m x 10m）
●重複パケットや一定時間経過したパケッ パケット生成
／転送車両
トは廃棄

●自車両が生成したパケットと他車からの転送パケットの送信タイミングをずらし、相互のパケット衝突を回避
送信タイミング制御

V6V6V4V3

V5

V1
V2

V5V3

V4V3

V3
V2
車両V1が生成したパケットの転送エリア

V1
Δ : パケット長

V3

V3

V2
V2

衝突回避

２Δ

V2V2

V1

衝突回避

V1

２Δ

V1time22

MM-SA方式が性能を発揮するためのコア技術の連携プレー
パケット衝突によるロスを軽減、隠れ端末問題を克服。
待ち時間不要、高レスポンス実現。

マルチホップにより遠方車両との間で確実に通信し、通信距離を拡大。建物などの遮へい克服。
（遠近効果を有効に利用）

パケット転送制御技術

スペクトラム
拡散技術

MM-SA方式
車車間通信
周波数チャネル
制御技術
４つのチャネルを各道路、各車線にうまく割当て、パケット間の干渉を回避（遠近効果の悪影響を回避）

送信タイミング
制御技術
中継転送をおこなう時の近接車両間でのパケット干渉を回避。
（遠近効果の悪影響を回避）

車両が高密度な都市環境などでも高いパケット到達率と低遅延（高レスポンス性能）を実現
23

シミュレーションによる性能評価
f4

f2

各車線に22台配置（縦、横、上り、下り）
合計：88台壁
f1

サービスエリア9m

送信車両B車（第2当事者）

3 m、片側1車線

平均車頭間距離 24.4 m （時速70 km/hの1秒間距離＋車長）

536.8 m（70km/hで22台配置時の距離）

出会い頭衝突防止アプリケーション（ＡＳＶ※モデルより）

受信車両（第１当事者）

送信車両（第２当事者）

送信車両の位置（0〜90 m)
受信車両A車（第1当事者）（4チャネル受信）

3 m、片側1車線

536.8 m（70km/hで22台配置時の距離）
平均車頭間距離 24.4 m （時速70 km/hの1秒間距離＋車長）

f3（対象周波数チャネル）※ＡＳＶ（Ａｄｖａｎｃｅ Safety Vehicle）：先進安全自動車
国交省が自動車業界とともに検討を進めている
24パケット到達率・遅延評価

出会い頭衝突防止シミュレーション
車両台数88台、片側1車線交差点

MM-SA方式
パケット到達率

無線LANベース（CSMA/CA方式）
パケット到達率ASV アプリ要求達成（≧80%）

パケット到達遅延ASV アプリ要求達成できず（≧80%）

パケット到達遅延

2 ホップ

1 ホップ
Delay (MM-SA)

25

大規模都市環境でのモンテカルロ解析

ネットワークシミュレータ＋レイトレース解析
 計算負荷が重い 数100m四方で車両数100台の規模までの評価が限界

マルチエージェントシミュレータ＋統計的モデルに基づく解析

数km四方、車両数万台規模の解析が短時間で可能に！

解析例：MM-SA と CSMA/CA (IEEE802.11p)の比較- 出会い頭衝突防止シナリオ、2kmx2km 範囲、車両台数20,000 台Packet delivery ratio (PDR)

サービスエリア

パケット転送エリア: 120 m
最大ホップ数：2
１データ当たりの試行回数： 20

MM-SA(with relay)

CSMA/CA(IEEE802.11p)(with/without relay)

Distance from the center of intersection (m)MM-SA プロトタイプ
 MM-SAコア技術を搭載
 スペクトル拡散技術

送受信アンテナ 周波数チャネル制御技術
 パケット転送制御技術

受信RF部

 送信タイミング制御技術

プロトタイプ主要緒元
周波数5780, 5790, 5820,5830 MHz

伝送速度

4.096 Mbps

拡散率7倍

情報伝送レート

585 kbps

変調方式

π/4シフトＱＰＳＫ

検波方式

遅延検波

BB部

送信RF部

サイズ: 320(W) x 258(D) x 125(H)
BB: Base Band
RF: Radio Frequency

28

プロトタイプ装置
送受信アンテナ

GPSアンテナ

APL層
自車両
情報

制御
装置

無線装置

周辺車両
位置管理
テーブル

GPS装置

車両ID

MAC層

送信元識別

ﾏﾙﾁﾎｯﾌﾟ
転送制御

タイミング
位置

各車両における受信パケットのホップ数内訳

他車両
情報

ﾀｲﾐﾝｸﾞ
制御

BBユニット
① ﾀｲﾐﾝｸﾞ制御② 周波数制御③ 転送制御RFユニット

中継転
送

周辺車両
位置管理

方向
拡散コード

パケット発生PHY層
ｽﾍﾟｸﾄﾗﾑ
拡散

拡散

TX

DEM

逆拡散

RX1

DEM

逆拡散

RX2

DEM

逆拡散

RX3

DEM

逆拡散

RX4

GPS

無線装置 機能ブロック図

周波数
ﾁｬﾈﾙ制御受信パケットホップ数内訳
時系列表示

MOD

送受信アンテナ

クロスレイヤ
周辺車両位置管理アーキテクチャ
干渉電力

受信RF部

通信状況モニタ画面

BB部
送信RF部

320(W)×258(D)×125(H) mm（注：アンテナ、コネクタ等突起物含まず）

注意喚起画面

プロトタイプ装置

29

プロトタイプ装置を用いた銀座・月島でのフィールド実証実験
2010年1月25日〜2月5日
送信車両（走行車両）
内より撮影

500m

受信車両はこの辺りに停車

300m
200m
100m

受信車両（停止車両）※後方より撮影50m

建物等が密集した都市環境での伝搬・通信品質の測定
見通し／非見通し、中継転送あり／なし
他の車両による遮へいの影響

30

車内ディスプレイによる注意喚起
車内ディスプレイ↑ ビルの陰から接近する車両を知らせる（出会い頭衝突防止シナリオ）← 交差点で右折待ちをする大型車両の後ろから接近する車両を知らせる（右折衝突防止シナリオ）31

４．歩車間通信におけるアクセス方式

32コンテキスト情報に基づく歩車間アクセス方式
車両と歩行者が双方で位置情報交換することにより、交差点での歩行者の飛び出しを事前に互いに検知し、防止する

少子・高齢化社会に向けて電波利用技術ができること

レーダでは届かない建物等の陰もカバー

車載通信端末歩行者通信端末（携帯電話、杖、防犯ブザー等）

歩行者端末を通じて音やバイブレーション等
により歩行者に危険を警告するとともに車両ドライバにも警告

車々間通信の受信（車両位置・速度情報等）（700MHz帯など）課題解決するには…

 車両と接触する危険の少ない他の歩行者端末からの電波が多数干渉、通信効率・品質が低下
 人体や建物による遮へいで伝搬環境が劣悪
 マルチパスによるGPS位置誤差の増大

各歩行者端末のセンサと車両側から得られる各コンテキスト情報により衝突の危険度を判定し、それに応じて不必要な電波を抑制
周辺の他の歩行者端末と連携した協調型マルチホップ通信の導入
歩行者端末測位の高精度化

33

衝突事故防止のための移動体端末間の協調衛星測位方式
遮蔽

計測位置②

反射誤差

C2

誤差

C1

実際位置①
計測した
相対位置

測位演算結果（大きな誤差が発生）【現状の課題】
都市部では反射や遮蔽が発生し、測位誤差が増大

相対位置の誤差③

実際の相対位置【本技術】
移動体間通信を利用した協調測位により、相関性の高い誤差を相殺
 ２つの移動体間の通信で衛星情報を交換
 両者が共通に利用できる衛星で相対測位
 高感度受信機を想定し、反射波も利用し衛星数確保
 移動体間が接近するほど高精度（衝突防止に有効）

協調衛星測位方式の検証例
東京・月島での走行データに基づき計算処理

従来方式（各移動体の測位結果から求めた相対位置）

提案方式（各移動体の共通衛星を用いた協調測位による相対位置）※ 赤丸は誤差３ｍの範囲

５．おわりに36

まとめ



ATRでは、安全運転を支援する車車間通信への適用を想定し、従来方式（CSMA/CA）に比べ、低遅延（高レスポンス）で確実な情報伝達を可能とする新しい通信方式（MM-SA方式）を考案。
MM-SA方式はCDMAをベースとし、周波数チャネル制御、マルチホップ転送制御、送信タイミング制御を効果的に組み合わせ、遠近効果を有効に活用して隠れ端末干渉を抑制。



周辺車両台数が100台以上の環境での出会い頭衝突、右折時衝突等のシナリオにおいて、サービスエリア内の１パケット当たりの到達率はほぼ100％、到達遅延時間は数ミリ秒以下を実現。



また2km四方、車両2万台の大規模都市環境でもIEEE802.11pを上回る性能を発揮する見通しを確認



歩車間通信の実現には、不要なトラフィック抑制、信号減衰対策、測位精度の高精度化が必要
37

ご静聴ありがとうございました。

38