Architektura komunikace ITS (CALM)

Architektura komunikace ITS (CALM - Komunikační infrastruktura pro pozemní mobilní zařízení, dále v textu jen CALM) definuje obecný nadstavbový komunikační protokol, určený pro vzájemnou výměnu dat mezi vozidly a infrastrukturou. CALM sdružuje všechny možné typy existujících komunikačních médií do jednoho celku. V zásadě lze rozlišit tři základní typy komunikace a to vozidlo-vozidlo, vozidlo – zařízení na infrastruktuře (např. dopravní značka) nebo komunikace dvou zařízení na infrastruktuře mezi sebou.

CALM je univerzální komunikační protokol pro systémy ITS pro komunikaci vozidlo-vozidlo, vozidlo – zařízení na infrastruktuře, zařízení na infrastruktuře- zařízení na infrastruktuře. Uživatelem systémů CALM je aplikace, která se nemusí starat o to, jak komunikovat s okolními ITS stanice a jak kódovat data.

Protokol CALM je protokolem nadstavbovým, to znamená, že využívá nejrůznější komunikační protokoly, které jsou běžně dostupné na infrastruktuře. CALM využívá datové protokoly sítí GSM (2G, 3G, 4G), protokoly na bázi InfraRed, mikrovlnné spoje v pásmu 5 a 60GHz, dále pak bezdrátové sítě podle standardů IEEE802.16 a IEEE802.20 a veřejné datové sítě jako např. pozemní digitální vysílání DAB a DVB. CALM v sobě integruje rovněž protokoly umožňující rychlou prioritní datovou komunikaci na bázi protokolů NonIP.

CALM v sobě obsahuje systém automatické volby vhodného přenosového protokolu, tj. vhodný komunikační protokol je volen na základě jeho aktuální dostupnosti a požadavku na přenosovou rychlost.

Obrázek 1 – Příklady komunikační protokolů a typů spojení v rámci CALM

Stanice ITS-S – základní stavební jednotka architektury CALM

Vrstva přístupu – 1. úroveň architektury stanice ITS-S (odpovídající vrstvám OSI 1 a 2

Vrstva síťová a transportní - 2. úroveň architektury stanice ITS-S (odpovídající vrstvám OSI 3 a 4)

Vrstva zařízení – 3 . úroveň architektury stanice ITS-S (odpovídající vrstvám OSI 5,6  a 7)

Blok Managementu stanice – zajišťuje řízení jednotlivých vrstev stanice ITS-S

Blok zabezpečení stanice - zabezpečuje stanici ITS-S jako celek

Aplikační vrstva - aplikace nad CALMem

CALM je založen na komunikaci mezi unifikovanými jednotkami nazvanými stanice ITS (označované jako stanice ITS-S). Výchozí architektura stanice ITS-S je uvedena na obrázku č.2. Architektura ITS-S vychází ze standardního modelu OSI, který rozšiřuje tak, aby byly naplněny požadavky na univerzalitu rozhraní CALM. Stanice CALM je tvořena vrstvou přístupu, vrstvou síťovou a transportní, vrstvou zařízení, aplikační vrstvou, blokem managementu (řízení) stanice, blokem zabezpečení stanice a vrstvou aplikací.

Vrstva přístupu (odpovídající vrstvám OSI 1 a 2) obsahuje komunikační moduly jednotlivých podporovaných komunikačních protokolů, které jsou převáděny standardizovaným protokolem do transportní vrstvy. Vrstva zpracovává informace z externích, ale i interních zdrojů stanice ITS-S. Rozlišují se následující čtyři třídy rozhraní: Bezdrátové rozhraní mimo stanici ITS-S, kabelové rozhraní mimo stanici ITS, bezdrátové rozhraní pro komunikaci v rámci stanice ITS-S a kabelové rozhraní pro komunikaci v rámci stanice ITS-S.

Obrázek 2 – Schéma architektury CALM

Vrstva síťová a transportní (odpovídající vrstvám OSI 3 a 4) již pracuje se standardními protokoly známými z prostředí IP sítí. V síťové úrovni se jedná o protokoly na bázi IPv4 a IPv6, podporovány jsou rovněž protokoly NonIP.

Vrstva zařízení (odpovídající vrstvám OSI 5, 6  a 7). Úlohou této vrstvy je dále zpracovat dat z vrstvy nižší úrovně do úrovně srozumitelné aplikační vrstvě. Jsou zde vyhodnocovány data například pro vizualizační, geolokační a navigační aplikace. Prostřednictvím této vrstvy jsou rovněž dekódovány nejrůznější zprávy určené pro bezpečnostní aplikace a zprávy pro komunikaci s infrastrukturou.

Blok Managementu stanice zajišťuje řízení jednotlivých vrstev stanice ITS-S. Řízení provádí pomocí takzvaných servisních bodů, kterými je blok managementu stanice propojen s jednotlivými vrstvami stanice ITS-S.

Blok zabezpečení stanice zabezpečuje stanici ITS-S jako celek. Zabezpečení jednotlivých vrstev stanice ITS-S je prováděno pomocí servisních přístupových bodů. Vrstva zajišťuje ochranu stanice ITS-S proti napadení zvenčí (Firewall) , systém autentikace (přihlášení) ke stanici ITS-S a dále pak systém šifrování dat.

Aplikační vrstva seskupuje aplikace nad CALMem. Pro komunikaci s vrstvou zařízení slouží standardizované API rozhraní. Aplikační vrstvu tvoří:

• autorizované aplikace ITS-S (ISO/TS 17419), například pro
  • bezpečnost silničního provozu,
  • efektivitu dopravy,
• povolené aplikace ITS-S (ISO/TS 17419);

Jednotlivé aplikace nejsou součástí standardů CALM.

Stanice ITS-S

Existují čtyři typické realizace jednotek stanic ITS. Jsou zobrazené na obrázku 3.

• ITS-S nainstalovaná do vozidla, například osobního automobilu, autobusu, nákladního vozu nebo motocyklu;
• ITS-S nainstalovaná na stranu infrastruktury, například na bránu;
• ITS-S nainstalovaná do přenosného zařízení;
• ITS-S nainstalovaná v centrále, například v centru řízení dopravy.

Obrázek 3 – příklad architektury stanice ITS-S

Konfigurace ITS-S stanice zavisí na způsobu využití, nemusí v ní být implementovány všechny bloky definované v referenční architektuře.

Vrstva přístupu 

- zajišťuje konverzi z fyzického média a linkové vrstvy do vrstvy síťové a transportní. Podporované systémy a protokoly:

• „infračervený spoj“ (IR) (ISO 21214),
• „mikrovlnné spoje v pásmu 5 GHz podle IEEE Std 802.11“ (M5) (ISO 21215), (ITS-G5) (EN 302 663), (WAVE) (Std I. E. E. E. 4™), a
• „milimetrové vlny“ (MM) v pásmu 60 GHz (ISO 21216)
• Satelitní sítě; (ISO 13183, ISO 29282)
• Celulární (buňkové) systémy 2G; (ISO 21212)
• Celulární (buňkové) systémy 3G (UMTS); (ISO 21213)
• Celulární (buňkové) systémy 4G (LTE); (ISO 17515)
• IEEE 802.16; (ISO 25112)
• HC-SMDA; (ISO 25113)
• IEEE 802.15. (Std IEEE 802.15.4™, Std IEEE 802.15.5™)
• DSRC systémy (ISO 24103 a ISO 29281-2)
• Data o poloze GPS, GALILEO nebo GLONASS
• Přizpůsobení nového systému, protokolu, rozhraní (ISO 21218)

Vrstva síťová a transportní

– zajišťuje konverzi do vrstvy zařízení.

Podporované protokoly:

Síťová vrstva

• IPv4
• IPv6
• NonIP

Transportní vrstva

• UDP (User Datagram Protokol)
• TCP (Transport Control Protokol)
• FNTP (Fast Networking Transport Protokol)
• BTP (Basic Transport Protokol).

Vrstva zařízení

Stanice ITS může ve vrstvě zařízení obsahovat následující funkce mapované do aplikační, prezentační a relační vrstvy modelu OSI:

• Obecné rozhraní HMI pro prezentaci informací uživateli systému (například řidiči auta) prostřednictvím hardwaru a firmwaru HMI.
• Prezentace dat k zašifrování a rozšifrování zpráv v závislosti na použitém formálním jazyce (například ASN.1).
• Poskytování informací o geografické pozici (zeměpisná délka, šířka a nadmořská výška) ITS-SU a o aktuálním čase.
• Označení pozic a časové razítko dat.
• Lokální dynamické mapy (LDM) (CEN NWI 00278347, ISO/TS 17424, EN 302 895), která zahrnují kooperativní systém pro kritické aplikace silniční bezpečnosti a podporu pro kombinování a syntézu dat z různých zdrojů a jejich aktualizace.
• Správu aplikačních procesů ITS-S, kterou tvoří stažení a aktivace nového aplikačního softwaru a aktualizace nainstalovaného softwaru (ISO/TS 17419).
• Protokoly aplikací SOA pro volně spojené, obchodně uspořádané a síťové služby, například webové služby založené na SOA. Toto vybavení podporuje aplikace používající služby centrálního systému s funkcemi jako je vytvoření relace s centrálním systémem (back end), řízení nečekaného přerušení relace způsobené mobilitou ITS-SU, správa relace v průběhu přenosu.
• Zpracování a přenos informací mezi stanicemi ITS (ISO/TS 17429).

Zjištění událostí vede k vytvoření zpráv o události. Pravidla pro rozsah šíření zpráv o události, opakování nebo zrušení, závisí na konkrétních událostech. Je to například:

• zpráva DENM (Decentralized Environmental Notification Message) (EN 302 637-3),
• zpráva TPEG-RTM (Transport Protocol Expert Group – Road Traffic Messages) (TISA. 12017:2012),
• zpráva SPaT (Signal Phase and Timing),
• zpráva MAP a ToPo obsahující digitální mapové informace o křižovatkách,
• zpráva ve vozidle o dopravním značení (ISO/TS 17425),
• zpráva o kontextové rychlosti (ISO/TS 17426),
• zpráva PDM (Probe Data Management),
• zpráva PVD (Probe Vehicle Data),
• zpráva SRM (Signal Request Message),
• zpráva SSM (Signal Status Message), a
• zprávy ze sady zpráv o datech sondy (ISO 22837, ISO 29284).
• Periodicky zasílané zprávy. Například
• zpráva CAM (Cooperative Awareness Message) (EN 302 637-2),
• zpráva BSM (Basic Safety Message) (SAE J2735),
• zpráva SAM (Service Advertisement Message) (ISO 24102-5), například oznámení o bodu zájmu (POI),
• zpráva WSA (WAVE Service Advertisement) (Std I. E. E. E. 3™).
• Zprávy pro vytvoření relace. Například SAM a CTX (ISO 24102-5)
• opakovaný přenos zpráv,
• geografické šíření zpráv (ISO 16444), tj. zasílání zpráv do určité geografické polohy namísto zaslání na adresu fyzického zařízení,
• kontrola relevantnosti přijatých informací,
• služby založené na 5,8 GHz DSRC (ISO 24103, ISO 29281-2), například k umožnění efektivního současného fungování bezdrátové DSRC komunikace (EN 12253, EN 12795, EN 12834) a komunikace ITS technologií přístupu (ISO 21214, ISO 21215, ISO 21216), a tím i podpora hladké migrace z DSRC na ITS komunikaci,

Blok Managementu stanice

zajišťuje řízení jednotlivých bloků stanice ITS-S. Přehled základních funkcí:

• management „regulativních informací“ (RI) a pravidel (ISO 21218, ISO 24102-1, ISO/TS 17419), například pro rozhlasové předpisy, otázky ochrany soukromí,
• management aplikačních procesů ITS-S, například instalace, konfigurace a registrace v rámci stanice (ISO/TS 17419, ISO/TS 17423), aktualizace aplikačních procesů ITS-S, ochranné mechanismy ke zmírnění škodlivého chování aplikačních procesů ITS-S,
• management nabídky služeb (ISO 24102-5),
• management pro konfiguraci a aktualizaci komunikačního systému, včetně volby komunikačního profilu a managementu toku a cesty (ISO 24102-6, ISO/TS 17419, ISO/TS 17423),
• management komunikačních rozhraní (CI) a virtuálních komunikačních rozhraní (VCI) (ISO 21218, ISO 24102-1),
• management přetížení kanálu, například „distribuované řízení zahlcení“ (DCC) (TS 103 175),
• management rušení „rádiového kmitočtu“ (RF) (ISO 24102-1),
• ochrana systému DSRC (ISO 24102-1),
• správa mapy lokálních uzlů, která obsahuje informace o sousedních stanicích, jako jsou komunikační parametry (například adresy MAC a síťové adresy), stavový vektor kinematiky stanic (například poloha, rychlost, směr),
• záznam a předání účetních událostí za použití, především za třetí stranou použité zpoplatněné komunikační služby za komunikaci mezi vozidly a držení licenční smlouvy potvrzující, že daná ITS-SU je oprávněná užívat komunikační služby,
• management chyb, například deaktivace místního vadného komunikačního systému,
• monitorování úrovně služby

Blok zabezpečení stanice

zabezpečuje stanici ITS-S jako celek. Přehled funkcí:

• management brány firewall a neoprávněného vniknutí,
• management autentizace, autorizace a profilu,
• management ověření totožnosti, šifrovacího klíče a certifikátu

Aplikační vrstva

seskupuje aplikace na CALMem. Všechny interakce mezi aplikacemi ITS-S a

• entitou managementu ITS-S,
• entitou zabezpečení ITS-S, a
• vrstvou zabezpečení ITS-S
• probíhají skrze API. Podrobnosti jsou popsány v normách popisujících entitu managementu ITS-S (ISO/TS 17419, ISO/TS 17423), entitu zabezpečení ITS-S a vrstvy zařízení ITS-S.

Jednotlivé aplikace nejsou součástí CALM.

Služby (aplikace) v rámci CALM lze rozdělit následujícím způsobem:

1. Vozidlová ITS jednotka – interakce s infrastrukturou, virtuální dopravní značky, peer to peer komunikace mezi vozidly (varování před nebezpečím), plovoucí vozidla atd.
2. Infrastrukturní ITS jednotka – poskytování informací vozidlům, telematická zařízení, sběr dopravních dat
3. Mobilní ITS – obvykle mobilní telefon, zobrazení dopravních zátěží, dynamická navigace, informace o dopravních komplikacích a uzavírkách
4. Centrální ITS jednotka – centrální sytém řízení dopravy, dopravní ústředny SSZ, dopravně informační centra, řídící systémy tunelů a dálnic

Architektura - ISO 21217

Aplikační vrstva - ISO 24101-1,2

Řízení stanice CALM - ISO 24102-1,2,3,4,5,6

CALM protokoly

                ISO 21210 - IPv6

                ISO 21212 - GSM 2G

                ISO 21213 - GSM 3G

                ISO 21214 - InfraRed

                ISO 21215 - 5GHz

                ISO 21216 - 60GHz

                ISO 25111 - veřejné sítě

                ISO 25112 - IEEE 802.16

                ISO 25113 - HC-SDMA

                ISO 25282 - satelit

                ISO 25283 - IEEE802.20

                ISO 13186 - DAB, DVB

                ISO 29281-1,2 NonIP

Nadskupina: ITS systémy

Podskupiny: Řízení ITS stanice, Protokoly pro komunikaci ITS, Zveřejňování služeb a aplikace ITS