Von einer direkten drahtlosen Kommunikation unter Fahrzeugen des täglichen Straßenverkehrs verspricht man sich, die Straßenverkehrssicherheit sowie die Straßenverkehrseffizienz zu erhöhen. Diese Dissertation untersucht, wie sich das Potential von Anwendungen, die intensiven Gebrauch von Fahrzeug-Kommunikationsnetzen machen, in Bezug auf eine reduzierte Anzahl von Unfällen und auf einen erhöhten Verkehrsfluss abschätzen lässt. Zu diesem Zweck nimmt die Arbeit eine auf die beiden Ziele abgestimmte Modellierung von VANETs vor, entwickelt darauf aufbauend Simulationswerkzeuge und ermöglicht somit eine Leistungsbewertung des Systems in Simulationsstudien. Im ersten Teil der Arbeit steht die Verkehrssicherheit im Fokus, deren Verbesserung anhand der Anzahl vermiedener Unfälle gemessen wird. Eine solche Bewertung schlägt sich in einem dreistufigen Prozess nieder: (a) der Bereitstellung von Verkehrsinformationen durch VANETs, (b) deren Bewertung und Verarbeitung in der Anwendung und (c) die Konsequenzen der Aktivierung der entsprechenden Anwendung auf den Straßenverkehr. Die Arbeit nimmt zunächst eine Potentialabschätzung vor und geht von einer vollständigen Verfügbarkeit der benötigten Informationen aus. Unter dieser Annahme wird das Problem der Unfallvermeidung modelliert, indem unfallträchtige Verkehrssituationen rechtzeitig identifiziert und somit vermieden werden können. Die Modellierung erfolgt zunächst durch einen Markovschen Entscheidungsprozess mit absorbierenden Systemzuständen und offenbart dabei eine Komplexität des zugrunde liegenden Problems, aufgrund derer dieser Ansatz zwar als methodisch reizvoll, für eine praktische Umsetzung aber als zu aufwendig erkannt wird. Unabhängig von dem Komplexitätsproblem ist die Validierung einer zum Einsatz kommenden Unfallvermeidungsstrategie unabdingbar. Zur Bewertung einer solchen Strategie bemüht die Dissertationsarbeit Simulationsstudien, für deren Durchführung das Konzept eines Verkehrsunfalls in bestehende Simulationswerkzeuge integriert werden muss. Die Dissertation schlägt entsprechende Modifikationen für das Fahrzeug-Folgemodell von Wiedemann vor, integriert diese in den Verkehrssimulator VISSIM und bewertet eine Sicherheitsstrategie in Überholmanövern mittels Simulationsstudien. Die Ergebnisse weisen einen ansteigenden Erfolg der untersuchten Sicherheitsanwendung mit zunehmender Verfügbarkeit von Fahrzeuginformationen auf und zeigen gleichzeitig, dass das Ziel eine vollständige Information über die gegenwärtige Verkehrslage sein muss. Im zweiten Teil der Arbeit werden VANETs hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Verkehrseffizienz untersucht. Der Blickwinkel auf das System verschiebt sich dabei von der Betrachtung einzelner Fahrzeuge hin zu ganzen Verkehrsströmen und deren Charakterisierung in Bezug auf den Verkehrsdurchsatz. Für VANETs konnten Simulationsstudien dieser Art bislang insbesondere aufgrund der Skalierungsprobleme von diskreten Ereignis basierten Kommunikationssimulationen nicht durchgeführt werden. Die Dissertation entwickelt deshalb ein mathematisches Modell der Paket-Empfangswahrscheinlichkeit, das anhand von Simulationen statistisch validiert wird. Eine Verknüpfung des Modells mit dem Verkehrssimulator VISSIM und die Bereitstellung eines Applikationsmoduls ist dann den gestellten Anforderungen gerecht geworden. In abschließenden Simulationsstudien zeigt die Arbeit, wie mittels VANETs verbreitete Geschwindigkeitsanweisungen sich auf den Verkehrsdurchsatz auswirken. Die Simulationsstudien umfassen dabei bis zu 3000 kommunizierende Fahrzeuge und weisen einen Beschleunigungsfaktor von bis zu 1500 gegenüber vergleichbaren strikt ereignisbasierten Simulationsansätzen auf.

The idea of introducing communication technology to road traffic is appealing for its promises to increase vehicular traffic safety and vehicular traffic efficiency. In communication networks established over radio equipped vehicles, so called Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs), applications are assumed to support a decrease of accidents and an increase of traffic throughput. The goal of this thesis is to enable an impact assessment of such applications. The thesis provides a modeling of the system tailored to the two envisaged goals, develops simulation tools and thus allows for performance studies by simulation means. In the first part, the thesis addresses an impact assessment of traffic safety reflected in the number of occurring accidents. Such an evaluation is structured in three parts: (a) provision of vehicular traffic information by VANETs, (b) evaluation and usage of information by a respective application and (c) the effect of the considered application on road traffic. The thesis firstly aims at revealing the potential of the system and therefore assumes the communication system to provide all information required by a safety application. Under this assumption, the thesis addresses part (b) of the evaluation process by modeling the problem of identifying accident-prone traffic situations by means of an Markov Decision Process with absorbing system states. The methodology proves to be a valuable approach to model traffic safety applications but simultaneously reveals implementation bottlenecks due to complexity reasons. From these observations the thesis infers the need for simplified safety algorithms which (as any other algorithm) require validation by simulation means. Therefore, the concept of a traffic accident is incorporated to the Wiedemann mobility model and implemented into the traffic simulator VISSIM, thus allowing for part (c), the impact assessment of the application on road traffic. In a simulation study, the thesis assesses a safety application designed to prevent accidents in overtaking maneuvers. The results indicate a decreasing number of accidents with increasing information on surrounding vehicles and suggest that complete information on the traffic situations needs to be the aimed at goal. In the second part, the thesis turns towards an impact assessment of VANETs on vehicular traffic efficiency. This perspective changes the scale of the modeling view from individual vehicles to traffic flows comprising thousands of vehicles and their effect on the traffic throughput. Up to now, VANET simulation studies of such scale cold not be performed because of scalability problems resulting from a discrete-event simulation approach of communication behaviour. The thesis therefore devises a mathematical model on the probability of packet reception which is validated against simulation results. Incorporated into the traffic simulator VIS-SIM and linked to a module hosting the application logic, the proposed model allows for the envisaged large-scale studies of VANETs. In a concluding simulation experiment the thesis investigates the effect of a speed advice disseminated via a VANET on the resulting traffic throughput. Compared to a pure discrete-event simulation approach, the proposed methodology has shown a speedup factor of up to 1500 in a scenario comprising 3000 communicating vehicles.