SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS

A finales de los años noventa, y al comienzo del nuevo milenio, las redes inalámbricas han evolucionado bastante, pasando de ser sólo una tecnología prometedora para convertirse en un requisito para las actividades cotidianas en las sociedades desarrolladas. La infraestructura de transporte también ha evolucionado, ofreciendo comunicación a bordo para mejorar la seguridad vial y el acceso a contenidos de información y entretenimiento. Los requisitos de los usuarios finales se han hecho dependientes de la tecnología, lo que significa que sus necesidades de conectividad han aumentado debido a los diversos requisitos de las aplicaciones que se ejecutan en sus dispositivos móviles, tales como tabletas, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles o incluso ordenadores de abordo (On-Board Units (OBUs)) dentro de los vehículos. Para cumplir con dichos requisitos de conectividad, y teniendo en cuenta las diferentes redes inalámbricas disponibles, es necesario adoptar técnicas de Vertical Handover (VHO) para cambiar de red de forma transparente y sin necesidad de intervención del usuario. El objetivo de esta tesis es desarrollar algoritmos de decisión (Vertical Handover Decision Algorithms (VHDAs)) eficientes y escalables, optimizados para el contexto de las redes vehiculares. En ese sentido se ha propuesto, desarrollado y probado diferentes algoritmos de decisión basados en la infraestructura disponible en las actuales, y probablemente en las futuras, redes inalámbricas y redes vehiculares. Para ello se han combinado diferentes técnicas, métodos computacionales y modelos matemáticos, con el fin de garantizar una conectividad apropiada, y realizando el handover hacia las redes más adecuadas de manera a cumplir tanto con los requisitos de los usuarios como los requisitos de las aplicaciones. Con el fin de evaluar el contexto, se han utilizado diferentes herramientas para obtener información variada, como la disponibilidad de la red, el estado de la red, la geolocalizaciónMárquez Barja, JM. (2012). SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/17869Palanci

Contributions to provide a QoS-aware self-configured framework for video-streaming services over ad hoc networks

Aplicat embargament des del dia 27 d'octubre de 2021 fins 31 de juliol de 2022Ad hoc networks have attracted much attention from the research community over the last years and important technical advances have risen as a consequence. These networks are foreseen as an important kind of next generation access networks, where multimedia services will be demanded by end users from their wireless devices everywhere. In this thesis, we specially focus our research work on mobile ad hoc networks (MANETs) and on vehicular ad hoc networks (VANETs), two kind of ad hoc networks over which interesting multimedia services can be provided. The special haracteristics of MANETs/VANETs, such as mobility, dynamic network topology (specially in VANETs), energy constraints (in case of MANETs), infrastructureless and variable link capacity, make the QoS (Quality of Service) provision over these networks an important challenge for the research community. Due to that, there is a need to develop new routing protocols specially designed for MANETs and VANETs able to provide multimedia services. The main objective of this thesis is to contribute in the development of the communication framework for MANETs and VANETs to improve decisions to select paths or next hops in the moment of forwarding video-reporting messages. In this way, it would be possible to have a quick answer to manage daily problems in the city and help the emergency units (e.g., police, ambulances, health care units) in case of incidents (e.g., traffic accidents). Furthermore, in case of VANETs, a real scenario must be created and thus we have analysed the presence of obstacles in real maps. Also, in case of an obstacle found between the current forwarding node and the candidate next forwarding node, the packet is stored in a buffer, for a maximum time, until a forwarding neighbour node is found; otherwise, the packet is dropped. To improve the communication framework for MANETs, we propose a new routing protocol based on a game-theoretical scheme for N users specially designed to transmit video-reporting messages. Our proposal makes the network more efficient and provides a higher degree of satisfaction of the users by receiving much more packets with a lower average end-to-end delay, lower jitter and higher PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio). In addition, we propose a geographical routing protocol for VANETs that considers multiple metrics named 3MRP (Multimedia Multimetric Map-Aware Routing Protocol) [1]. 3MRP is a geographical protocol based on hop-by-hop forwarding. The metrics considered in 3MRP are the distance, the density of vehicles in transmission range, the available bandwidth, the future trajectory of the neighbouring nodes and the MAC layer losses. Those metrics are weighted to obtain a multimetric score. Thus, a node selects another node among its neighbours as the best forwarding node to increase the percentage of successful packet delivery, minimizing the average packet delay and offering a certain level of quality and service. Furthermore, a new algorithm named DSW (Dynamic Self-configured Weights) computes for each metric its corresponding weight depending on the current network conditions. As a consequence, nodes are classiffied in a better way.Les xarxes sense fils ad hoc han captat molt l'atenció per part de la comunitat científica en els últims anys, a més dels importants avenços tècnics que han sorgit. Aquestes xarxes es preveuen com un tipus important de xarxes d'accés de nova generació, a on els serveis multimèdia seran requerits pels usuaris a través dels seus dispositius sense fils desde tot arreu. En aquesta tesi, centrem el nostre treball especialment en les xarxes mòbils ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Network) i en les xarxes vehiculars ad hoc (VANET, Vehicular Ad hoc Network). Les característiques especials de les MANETs i les VANETs, com la mobilitat, la topologia dinàmica de la xarxa (especialment en VANETs), les restriccions de bateria (en cas de MANETs), l'absència d'infrastructura i la capacitat variable de l'enllaç sense fil fa que la provisió de la qualitat de servei en aquestes xarxes sigui un repte important per a la comunitat científica. A causa d'això, hi ha la necessitat de desenvolupar nous protocols d'encaminament especialment dissenyats per a MANETs i VANETs capaços de proporcionar els serveis de multimèdia requerits. L'objectiu principal d'aquesta tesi és proveir millores en la comunicació per a les xarxes ad hoc MANET i VANET per millorar les decisions a l'hora de seleccionar els propers camins o nodes, respectivament, en el moment de l'enviament de les trames del video. D'aquesta manera serà possible tenir una resposta ràpida per resoldre els problema diaris a la ciutat i ajudar a les unitats d'emergència (per exemple, policia, ambulàncies, unitats de salut) en cas d'incidents, com ara els accidents de trànsit. Per analitzar adequadament les nostres propostes sobre VANETs hem dissenyat un entorn de simulació realista que incorpora la presència d'edificis en mapes reals i en el cas que hi hagi un obstacle entre el node actual i el candidat per a ser el pròxim salt el paquet s'emmagatzema en un buffer, per un temps màxim, fins a trobar un nou candidat; en cas contrari, es descarta el paquet. Per millorar les comunicacions en les MANETs, proposem un nou protocol d'encaminament basat en teoria de jocs per a N usuaris especialment dissenyat per a enviar missatges de vídeo. Això fa que la xarxa sigui més eficient, i així s'aconsegueix un major grau de satisfacció dels usuaris en rebre molts més paquets amb un menor retard mig extrem a extrem, menor variació del retard (jitter ) i major PSNR (Relació Senyal Soroll de Pic) . A més, es proposa un protocol d'encaminament geogràfic basat en el reenviament hop-by-hop per a VANETs anomenat 3MRP (Multimedia Multimetric Map-Aware Routing Protocol ) [1] que prèn en consideració múltiples mètriques. Les mètriques considerades en 3MRP són la distància a destinació, la densitat de vehicles en el rang de transmissió, l'ample de banda disponible, la trajectòria futura dels nodes veíns i la perdua de paquets a la capa MAC. Aquestes mètriques es ponderen per a obtenir una puntuació multimètrica. Així, un node pot seleccionar el millor node de reenviament entre tots els seus veíns per augmentar la probabilitat d' èxit de lliurament de paquets, minimitzant el retard mitjà dels paquets i oferint un cert nivell de qualitat de servei.Las redes ad hoc han llamado mucho la atención por parte de la comunidad científica en los últimos años, además de los importantes avances técnicos que han surgido. Estas redes se prevén como un tipo importante de redes de acceso de nueva generación, donde los servicios multimedia sean requeridos por los usuarios a través de sus dispositivos inalámbricos desde todas partes. En esta tesis, centramos nuestro trabajo de investigación especialmente en las redes móviles ad hoc (MANET, Mobile Ad hoc Network) y las redes vehiculares ad hoc (VANET, Vehicular Ad hoc Network). Las características especiales de las MANETs y las VANETs, como la movilidad, la topología dinámica de la red (especialmente en VANETs), las restricciones de batería (en caso de MANETs), la ausencia de infraestructura y la capacidad variable del enlace inalámbrico hace que la provisión de la calidad de servicio en estas redes sea un reto importante para la comunidad científica. Debido a esto, existe la necesidad de desarrollar nuevos protocolos de encaminamiento especialmente diseñados para MANETs y VANETs capaces de proporcionar los servicios de multimedia requeridos. El objetivo principal de esta tesis es proveer mejoras en la comunicación para las redes ad hoc MANET y VANET para mejorar las decisiones a la hora de seleccionar los próximos caminos o nodos, respectivamente, en el momento del envío de las tramas del video y de esta manera sería posible tener una respuesta rápida para resolver los problema diarios en la ciudad y ayudar a las unidades de emergencia (por ejemplo, policía, ambulancias, unidades de salud) en caso de incidentes, como accidentes de tráfico. Para analizar adecuadamente nuestras propuestas sobre VANETs hemos diseñado un entorno de simulación realista que incorpora la presencia de edificios en mapas reales. En el caso de que haya un obstáculo entre el nodo actual y el candidato para ser el próximo salto el paquete se almacena en un buer, durante un tiempo máximo, hasta encontrar un nuevo candidato; en caso contrario, se descarta el paquete. Para mejorar las comunicaciones en las MANETs, proponemos un nuevo protocolo de encaminamiento basado en teoría de juegos para N usuarios especialmente diseñados para enviar mensajes de video. Esto hace que la red sea más eficiente, y así se consigue un mayor grado de satisfacción de los usuarios al recibir muchos más paquetes con un menor promedio de retardo de extremo a extremo, variación de retardo (jitter) y mayor PSNR (Relación Señal a Ruido de Pico). Además, se propone un protocolo de encaminamiento geográfico basado en el reenvío de salto-a-salto para VANETs llamado 3MRP (Multimedia multimetric Map-Aware Routing Protocol) [1] que incluye diversas métricas. Las métricas consideradas en 3MRP son la distancia al destino, la densidad de vehículos en el rango de transmisión, el ancho de banda disponible, la trayectoria futura de los nodos vecinos y la pérdida de paquetes en la capa MAC. Estas métricas se ponderan para obtener una puntuación multimetricanal. Así, un nodo puede seleccionar el mejor nodo de reenvío entre todos sus vecinos para aumentar la probabilidad de éxito de entrega de paquetes, minimizando el retardo medio de los paquetes y ofreciendo un cierto nivel de calidad de servicio. Por otra parte, se ha diseñado un nuevo algoritmo capaz de dar a cada métrica su correspondiente peso en función de las condiciones actuales de la red. De esta forma, los nodos se pueden clasificar de una mejor manera. Por último, se propone un nuevo protocolo de encaminamiento para VANETs llamado G-3MRP (Game Theoretical Multimedia Multimetric Map-aware Routing Protocol) [2] para enviar mensajes de video basado en teoría de juegos para N usuarios en escenarios urbanos. G-3MRP se basa en el protocolo de encaminamiento 3MRP. G-3MRP utiliza hasta tres nodos a través de los cuales los tres tipos de cuadros de video I, P y B serán enviados. Las métricas utilizadas son las mismas que en 3MRP. G-3MRP logra una mayor grado de satisfacción de los usuarios mediante la recepción de muchos más paquetes de video y con un mayor nivel de PSNR, que la anterior propuesta 3MRP+DSW. También hemos analizado el problema de detección de obstáculos en mapas reales para VANETs en escenarios urbanos. Para este propósito, hemos desarrollado nuestra herramienta REVsim [3] de tal forma que puede estar fácilmente integrada en nuestra propuesta de protocolo de encaminamiento para que las simulaciones sean más realistas.Postprint (published version

Capacity analysis in different systems exploiting mobility of VANETs

Improving road safety and traffic efficiency has been a long-term endeavor for not only government but also automobile industry and academia. After the U.S. Federal Communication Commission (FCC) allocated a 75 MHz spectrum at 5.9 GHz for vehicular communications, the vehicular ad hoc network (VANET), as an instantiation of the mobile ad hoc network (MANET) with much higher node mobility, opens a new door to combat the road fatalities. In VANETs, a variety of applications ranging from safety related (e.g. emergency report, collision warning) to non-safety-related (e.g. infotainment and entertainment) can be enabled by vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-roadside (V2R) communications. However, the flourish of VANET still hinges fully understanding and managing the challenges that the public concerns, for example, capacity and connectivity issues due to the high mobility of vehicles. In this thesis, we investigate how vehicle mobility can impact the performance in three important VANET-involved systems, i.e., pure VANET, VANET-enhanced intelligent transportation systems (ITS), and fast electric vehicle (EV) charging systems. First, in pure VANET, our work shows that the network data-traffic can be balanced and the network throughput can be improved with the help of the vehicle mobility differentiation. Furthermore, leveraging vehicular communications of VANETs, the mobility-aware real-time path planning can be designed to smooth the vehicle traffic in an ITS, through which the traffic congestion in urban scenarios can be effectively relieved. In addition, with the consideration of the range anxiety caused by mobility, coordinated charging can provide efficient charging plans for electric vehicles (EVs) to improve the overall energy utilization while preventing an electric power system from overloading. To this end, we try to answer the following questions: Q1) How to utilize mobility characteristics of vehicles to derive the achievable asymptotic throughput capacity in pure VANETs? Q2) How to design path planning for mobile vehicles to maximize spatial utility based on mobility differentiation, in order to approach vehicle-traffic capacity in a VANET-enhanced ITS? Q3) How to develop the charging strategies based on mobility of electric vehicles to improve the electricity utility, in order to approach load capacities of charging stations in VANET-enhanced smart grid? To achieve the first objective, we consider the unique features of VANETs and derive the scaling law of VANETs throughput capacity in the data uploading scenario. We show that in both free-space propagation and non-free-space propagation environments, the achievable throughput capacity of individual vehicle scales as $\Theta (\frac{1}{{\log n}}) with$n$denoting the population of a set of homogenous vehicles in the network. To achieve the second objective, we first establish a VANET-enhanced ITS, which incorporates VANETs to enable real-time communications among vehicles, road side units (RSUs), and a vehicle-traffic server in an efficient way. Then, we propose a real-time path planning algorithm, which not only improves the overall spatial utilization of a road network but also reduces average vehicle travel cost for avoiding vehicles from getting stuck in congestion. To achieve the third objective, we investigate a smart grid involved EV fast charging system, with enhanced communication capabilities, i.e., a VANET-enhanced smart grid. It exploits VANETs to support real-time communications among RSUs and highly mobile EVs for real-time vehicle mobility information collection or charging decision dispatch. Then, we propose a mobility-aware coordinated charging strategy for EVs, which not only improves the overall energy utilization while avoiding power system overloading, but also addresses the range anxieties of individual EVs by reducing the average travel cost. In summary, the analysis developed and the scaling law derived in$Q1$of this thesis is practical and fundamental to reveal the relationship between the mobility of vehicles and the network performance in VANETs. And the strategies proposed in$Q2$and$Q3$ of the thesis are meaningful in exploiting/leveraging the vehicle mobility differentiation to improve the system performance in order to approach the corresponding capacities