title: Towards holistic real-time simulation of cooperative vehicles
Creators: name: Buse, Dominik
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::004 Datenverarbeitung; Informatik
subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::005 Computerprogrammierung, Programme, Daten
subject: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke::000 Informatik, Wissen, Systeme::006 Spezielle Computerverfahren
subject: wireless networks
subject: network simulation
subject: vehicular ad-hoc networks
subject: real-time simulation
subject: VANET

description: Wireless networking technology can enable future cars to cooperate through Vehicle-to-Everything (V2X) communication, increasing safety, comfort, and efficiency. This heralds a paradigm shift: from isolated entities, primarily interacting through their drivers, to networked elements of smart cities. But this paradigm shift requires new ways to develop and test such interconnected systems. Simulation tools of different domains need to be integrated to provide such a holistic simulation environment. But currently there is a gap between the highly-detailed, real-time testbeds like Hardware-in-the-Loop (HIL) and the large-scale, event-based network simulators for V2X. Our goal is to bridge this gap and combine tools of both domains into a co-simulation. We want to ensure real-time computation of V2X models for the inclusion of physical components or human users. And we aim to push the limits of wireless simulation on modern multi-core processors to enable running larger scenarios in real-time. We present our contributions in three parts: First, we introduce the Ego-Vehicle Interface (EVI), to bridge the gap between simulation tools of different domains into a layered co-simulation. The EVI coordinates the co-simulation and ensures that non-real-time simulators provide results far enough ahead of time for real-time components to run uninterrupted. This enables the combination of real-time systems, such as HIL setups, with large-scale traffic and event-based wireless simulation for V2X applications. Second, we investigate how V2X simulation can be ensured to run within these real-time bounds when focusing on an ego vehicle. By identifying and dynamically selecting the relevant set of neighboring vehicles, we demonstrate how to reduce the simulation to indispensable elements and limit compute time. And through simulation studies we explore the limits of the scale current hardware can process in real-time. Third, we expand these limits by improving the performance of V2X simulation through the utilization of modern multi-core processors with a new parallelization technique. As classical techniques do not perform well on the shared wireless channel, we instead focus on isolating and offloading expensive computation tasks like signal processing to background threads. In an in-depth case study using the state-of-the- art V2X simulator Veins, we describe how we identified potentials, implemented our parallelization concept, and thoroughly investigated the resulting parallel performance.
description: Drahtloskommunikation ermöglicht zukünftigen Autos, durch Vehicle-to-Everything (V2X) Kommunikation zu kooperierenden Partnern der vernetzten Smart City zu werden. Dieser Paradigmenwechsel verspricht bessere Sicherheit, höheren Komfort und größere Effizienz, doch fordert gleichzeitig ein Umdenken bei der Entwicklung solch hochvernetzter Systeme: Bisher isoliert eingesetzte Entwicklungs- und Simulationswerkzeuge verschiedener Entwicklungsdomänen müssen zusammenfinden, um ganzheitliche Simulationsumgebungen für kooperative Fahrzeuge zu schaffen. Doch klafft heute eine Lücke zwischen hochdetailierten Echtzeit-Simulationswerkzeugen des Fahrzeugbaus und den eventgetriebenen Netzwerksimulatoren der V2X-Entwicklung. Ziel in dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu überwinden und Werkzeuge beider Domänen in einer Co-Simulation zu vereinen. Wir wollen durch echtzeitfähige V2X-Modelle Experimente mit menschlichen Nutzern und realen Prototypen unterstützen, und die Leistung moderner Mehrkern-Prozessoren für größere Simulation ausschöpfen. Wir gliedern dies in drei Teile: Zuerst stellen wir das Ego-Vehicle Interface (EVI) vor, das Komponenten der unterschiedlichen Domänen koordiniert und in einer Co-Simulation vereint. Es stellt sicher, dass nicht-echtzeitfähige Ergebnisse rechtzeitig bereitstehen, um Echtzeitkomponenten unterbrechungsfrei damit zu versorgen. Dies ermöglicht die Kombination aus Echtzeitsystemen wie Hardware-in-the-Loop (HIL) und eventgetriebenen Netzwerksimulatoren für die Entwicklung von V2X-Anwendungen. Als zweites untersuchen wir, wie die Echtzeitfähigkeit einer V2X-Simulation mittels Fokussierung auf ein Ego-Fahrzeug sichergestellt werden kann. Durch dynamische Auswahl der simulierten Umgebungsfahrzeuge reduzieren wir die Simulation auf die notwendigen Elemente und begrenzen die benötigte Rechenzeit. Anschließend stellen wir den mit heutiger Hardware unter Echtzeitbedingungen simulierbaren Umfang fest. Als drittes steigern wir diesen Umfang durch die Nutzung moderner Mehrkern-Prozessoren mittels einer neuen Parallelisierungstechnik. Da bekannte Parallelisierungstechniken oft am simulationsweit geteilten simulierten Drahtloskanal scheitern, verschieben wir lediglich rechenintensive isolierte Tasks, wie Signaldämpfungsmodelle, in Hintergrund-Threads. In einer ausführlichen Fallstudie für den V2X-Simulator Veins beschreiben wir die Identifikation von Parallelisierungspotenzialen, Implementierung unseres Konzeptes, untersuchen umfassend die resultierende Performance.