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    Cloud-Assisted Safety Message Dissemination in VANET-Cellular Heterogeneous Wireless Network

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    In vehicular ad hoc networks (VANETs), efficient message dissemination is critical to road safety and traffic efficiency. Since many VANET-based schemes suffer from high transmission delay and data redundancy, the integrated VANET–cellular heterogeneous network has been proposed recently and attracted significant attention. However, most existing studies focus on selecting suitable gateways to deliver safety message from the source vehicle to a remote server, whereas rapid safety message dissemination from the remote server to a targeted area has not been well studied. In this paper, we propose a framework for rapid message dissemination that combines the advantages of diverse communication and cloud computing technologies. Specifically, we propose a novel Cloud-assisted Message Downlink dissemination Scheme (CMDS), with which the safety messages in the cloud server are first delivered to the suitable mobile gateways on relevant roads with the help of cloud computing (where gateways are buses with both cellular and VANET interfaces), and then being disseminated among neighboring vehicles via vehicle-to-vehicle (V2V) communication. To evaluate the proposed scheme, we mathematically analyze its performance and conduct extensive simulation experiments. Numerical results confirm the efficiency of CMDS in various urban scenarios

    Quality of service aware data dissemination in vehicular Ad Hoc networks

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    Des systèmes de transport intelligents (STI) seront éventuellement fournis dans un proche avenir pour la sécurité et le confort des personnes lors de leurs déplacements sur les routes. Les réseaux ad-hoc véhiculaires (VANETs) représentent l'élément clé des STI. Les VANETs sont formés par des véhicules qui communiquent entre eux et avec l'infrastructure. En effet, les véhicules pourront échanger des messages qui comprennent, par exemple, des informations sur la circulation routière, les situations d'urgence et les divertissements. En particulier, les messages d'urgence sont diffusés par des véhicules en cas d'urgence (p.ex. un accident de voiture); afin de permettre aux conducteurs de réagir à temps (p.ex., ralentir), les messages d'urgence doivent être diffusés de manière fiable dans un délai très court. Dans les VANETs, il existe plusieurs facteurs, tels que le canal à pertes, les terminaux cachés, les interférences et la bande passante limitée, qui compliquent énormément la satisfaction des exigences de fiabilité et de délai des messages d'urgence. Dans cette thèse, en guise de première contribution, nous proposons un schéma de diffusion efficace à plusieurs sauts, appelé Dynamic Partitioning Scheme (DPS), pour diffuser les messages d'urgence. DPS calcule les tailles de partitions dynamiques et le calendrier de transmission pour chaque partition; à l'intérieur de la zone arrière de l'expéditeur, les partitions sont calculées de sorte qu'en moyenne chaque partition contient au moins un seul véhicule; l'objectif est de s'assurer que seul un véhicule dans la partition la plus éloignée (de l'expéditeur) est utilisé pour diffuser le message, jusqu'au saut suivant; ceci donne lieu à un délai d'un saut plus court. DPS assure une diffusion rapide des messages d'urgence. En outre, un nouveau mécanisme d'établissement de liaison, qui utilise des tonalités occupées, est proposé pour résoudre le problème du problème de terminal caché. Dans les VANETs, la Multidiffusion, c'est-à-dire la transmission d'un message d'une source à un nombre limité de véhicules connus en tant que destinations, est très importante. Par rapport à la diffusion unique, avec Multidiffusion, la source peut simultanément prendre en charge plusieurs destinations, via une arborescence de multidiffusion, ce qui permet d'économiser de la bande passante et de réduire la congestion du réseau. Cependant, puisque les VANETs ont une topologie dynamique, le maintien de la connectivité de l'arbre de multidiffusion est un problème majeur. Comme deuxième contribution, nous proposons deux approches pour modéliser l'utilisation totale de bande passante d'une arborescence de multidiffusion: (i) la première approche considère le nombre de segments de route impliqués dans l'arbre de multidiffusion et (ii) la seconde approche considère le nombre d'intersections relais dans l'arbre de multidiffusion. Une heuristique est proposée pour chaque approche. Pour assurer la qualité de service de l'arbre de multidiffusion, des procédures efficaces sont proposées pour le suivi des destinations et la surveillance de la qualité de service des segments de route. Comme troisième contribution, nous étudions le problème de la congestion causée par le routage du trafic de données dans les VANETs. Nous proposons (1) une approche de routage basée sur l’infonuagique qui, contrairement aux approches existantes, prend en compte les chemins de routage existants qui relaient déjà les données dans les VANETs. Les nouvelles demandes de routage sont traitées de sorte qu'aucun segment de route ne soit surchargé par plusieurs chemins de routage croisés. Au lieu d'acheminer les données en utilisant des chemins de routage sur un nombre limité de segments de route, notre approche équilibre la charge des données en utilisant des chemins de routage sur l'ensemble des tronçons routiers urbains, dans le but d'empêcher, dans la mesure du possible, les congestions locales dans les VANETs; et (2) une approche basée sur le réseau défini par logiciel (SDN) pour surveiller la connectivité VANET en temps réel et les délais de transmission sur chaque segment de route. Les données de surveillance sont utilisées en entrée de l'approche de routage.Intelligent Transportation Systems (ITS) will be eventually provided in the near future for both safety and comfort of people during their travel on the roads. Vehicular ad-hoc Networks (VANETs), represent the key component of ITS. VANETs consist of vehicles that communicate with each other and with the infrastructure. Indeed, vehicles will be able to exchange messages that include, for example, information about road traffic, emergency situations, and entertainment. Particularly, emergency messages are broadcasted by vehicles in case of an emergency (e.g., car accident); in order to allow drivers to react in time (e.g., slow down), emergency messages must be reliably disseminated with very short delay. In VANETs, there are several factors, such as lossy channel, hidden terminals, interferences and scarce bandwidth, which make satisfying reliability and delay requirements of emergency messages very challenging. In this thesis, as the first contribution, we propose a reliable time-efficient and multi-hop broadcasting scheme, called Dynamic Partitioning Scheme (DPS), to disseminate emergency messages. DPS computes dynamic partition sizes and the transmission schedule for each partition; inside the back area of the sender, the partitions are computed such that in average each partition contains at least a single vehicle; the objective is to ensure that only a vehicle in the farthest partition (from the sender) is used to disseminate the message, to next hop, resulting in shorter one hop delay. DPS ensures fast dissemination of emergency messages. Moreover, a new handshaking mechanism, that uses busy tones, is proposed to solve the problem of hidden terminal problem. In VANETs, Multicasting, i.e. delivering a message from a source to a limited known number of vehicles as destinations, is very important. Compared to Unicasting, with Multicasting, the source can simultaneously support multiple destinations, via a multicast tree, saving bandwidth and reducing overall communication congestion. However, since VANETs have a dynamic topology, maintaining the connectivity of the multicast tree is a major issue. As the second contribution, we propose two approaches to model total bandwidth usage of a multicast tree: (i) the first approach considers the number of road segments involved in the multicast tree and (ii) the second approach considers the number of relaying intersections involved in the multicast tree. A heuristic is proposed for each approach. To ensure QoS of the multicasting tree, efficient procedures are proposed for tracking destinations and monitoring QoS of road segments. As the third contribution, we study the problem of network congestion in routing data traffic in VANETs. We propose (1) a Cloud-based routing approach that, in opposition to existing approaches, takes into account existing routing paths which are already relaying data in VANETs. New routing requests are processed such that no road segment gets overloaded by multiple crossing routing paths. Instead of routing over a limited set of road segments, our approach balances the load of communication paths over the whole urban road segments, with the objective to prevent, whenever possible, local congestions in VANETs; and (2) a Software Defined Networking (SDN) based approach to monitor real-time VANETs connectivity and transmission delays on each road segment. The monitoring data is used as input to the routing approach

    Reliable Message Dissemination in Mobile Vehicular Networks

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    Les réseaux véhiculaires accueillent une multitude d’applications d’info-divertissement et de sécurité. Les applications de sécurité visent à améliorer la sécurité sur les routes (éviter les accidents), tandis que les applications d’info-divertissement visent à améliorer l'expérience des passagers. Les applications de sécurité ont des exigences rigides en termes de délais et de fiabilité ; en effet, la diffusion des messages d’urgence (envoyés par un véhicule/émetteur) devrait être fiable et rapide. Notons que, pour diffuser des informations sur une zone de taille plus grande que celle couverte par la portée de transmission d’un émetteur, il est nécessaire d’utiliser un mécanisme de transmission multi-sauts. De nombreuses approches ont été proposées pour assurer la fiabilité et le délai des dites applications. Toutefois, ces méthodes présentent plusieurs lacunes. Cette thèse, nous proposons trois contributions. La première contribution aborde la question de la diffusion fiable des messages d’urgence. A cet égard, un nouveau schéma, appelé REMD, a été proposé. Ce schéma utilise la répétition de message pour offrir une fiabilité garantie, à chaque saut, tout en assurant un court délai. REMD calcule un nombre optimal de répétitions en se basant sur l’estimation de la qualité de réception de lien dans plusieurs locations (appelées cellules) à l’intérieur de la zone couverte par la portée de transmission de l’émetteur. REMD suppose que les qualités de réception de lien des cellules adjacentes sont indépendantes. Il sélectionne, également, un nombre de véhicules, appelés relais, qui coopèrent dans le contexte de la répétition du message d’urgence pour assurer la fiabilité en multi-sauts. La deuxième contribution, appelée BCRB, vise à améliorer REMD ; elle suppose que les qualités de réception de lien des cellules adjacentes sont dépendantes ce qui est, généralement, plus réaliste. BCRB utilise les réseaux Bayésiens pour modéliser les dépendances en vue d’estimer la qualité du lien de réception avec une meilleure précision. La troisième contribution, appelée RICS, offre un accès fiable à Internet. RICS propose un modèle d’optimisation, avec une résolution exacte optimale à l'aide d’une technique de réduction de la dimension spatiale, pour le déploiement des passerelles. Chaque passerelle utilise BCRB pour établir une communication fiable avec les véhicules.Vehicular networks aim to enable a plethora of safety and infotainment applications. Safety applications aim to preserve people's lives (e.g., by helping in avoiding crashes) while infotainment applications focus on enhancing the passengers’ experience. These applications, especially safety applications, have stringent requirements in terms of reliability and delay; indeed, dissemination of an emergency message (e.g., by a vehicle/sender involved in a crash) should be reliable while satisfying short delay requirements. Note, that multi-hop dissemination is needed to reach all vehicles, in the target area, that may be outside the transmission range of the sender. Several schemes have been proposed to provide reliability and short delay for vehicular applications. However, these schemes have several limitations. Thus, the design of new solutions, to meet the requirement of vehicular applications in terms of reliability while keeping low end-to-end delay, is required. In this thesis, we propose three schemes. The first scheme is a multi-hop reliable emergency message dissemination scheme, called REMD, which guarantees a predefined reliability , using message repetitions/retransmissions, while satisfying short delay requirements. It computes an optimal number of repetitions based on the estimation of link reception quality at different locations (called cells) in the transmission range of the sender; REMD assumes that link reception qualities of adjacent cells are independent. It also adequately selects a number of vehicles, called forwarders, that cooperate in repeating the emergency message with the objective to satisfy multi-hop reliability requirements. The second scheme, called BCRB, overcomes the shortcoming of REMD by assuming that link reception qualities of adjacent cells are dependent which is more realistic in real-life scenarios. BCRB makes use of Bayesian networks to model these dependencies; this allows for more accurate estimation of link reception qualities leading to better performance of BCRB. The third scheme, called RICS, provides internet access to vehicles by establishing multi-hop reliable paths to gateways. In RICS, the gateway placement is modeled as a k-center optimisation problem. A space dimension reduction technique is used to solve the problem in exact time. Each gateway makes use of BCRB to establish reliable communication paths to vehicles

    Machine Learning for Unmanned Aerial System (UAS) Networking

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    Fueled by the advancement of 5G new radio (5G NR), rapid development has occurred in many fields. Compared with the conventional approaches, beamforming and network slicing enable 5G NR to have ten times decrease in latency, connection density, and experienced throughput than 4G long term evolution (4G LTE). These advantages pave the way for the evolution of Cyber-physical Systems (CPS) on a large scale. The reduction of consumption, the advancement of control engineering, and the simplification of Unmanned Aircraft System (UAS) enable the UAS networking deployment on a large scale to become feasible. The UAS networking can finish multiple complex missions simultaneously. However, the limitations of the conventional approaches are still a big challenge to make a trade-off between the massive management and efficient networking on a large scale. With 5G NR and machine learning, in this dissertation, my contributions can be summarized as the following: I proposed a novel Optimized Ad-hoc On-demand Distance Vector (OAODV) routing protocol to improve the throughput of Intra UAS networking. The novel routing protocol can reduce the system overhead and be efficient. To improve the security, I proposed a blockchain scheme to mitigate the malicious basestations for cellular connected UAS networking and a proof-of-traffic (PoT) to improve the efficiency of blockchain for UAS networking on a large scale. Inspired by the biological cell paradigm, I proposed the cell wall routing protocols for heterogeneous UAS networking. With 5G NR, the inter connections between UAS networking can strengthen the throughput and elasticity of UAS networking. With machine learning, the routing schedulings for intra- and inter- UAS networking can enhance the throughput of UAS networking on a large scale. The inter UAS networking can achieve the max-min throughput globally edge coloring. I leveraged the upper and lower bound to accelerate the optimization of edge coloring. This dissertation paves a way regarding UAS networking in the integration of CPS and machine learning. The UAS networking can achieve outstanding performance in a decentralized architecture. Concurrently, this dissertation gives insights into UAS networking on a large scale. These are fundamental to integrating UAS and National Aerial System (NAS), critical to aviation in the operated and unmanned fields. The dissertation provides novel approaches for the promotion of UAS networking on a large scale. The proposed approaches extend the state-of-the-art of UAS networking in a decentralized architecture. All the alterations can contribute to the establishment of UAS networking with CPS

    Cloud-Assisted Safety Message Dissemination in VANET-Cellular Heterogeneous Wireless Network

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    Abstract-In vehicular ad-hoc networks (VANETs), efficient message dissemination is critical to road safety and traffic efficiency. Since many VANET-based schemes suffer from high transmission delay and data redundancy, integrated VANETcellular heterogeneous network has been proposed recently and attracted significant attention. However, most existing studies focus on selecting suitable gateways to deliver safety message from the source vehicle to a remote server, while rapid safety message dissemination from the remote server to a targeted area has not been well studied. In this paper, we propose a framework for rapid message dissemination that combines the advantages of diverse communication and cloud computing technologies

    A Comprehensive Approach to WSN-Based ITS Applications: A Survey

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    In order to perform sensing tasks, most current Intelligent Transportation Systems (ITS) rely on expensive sensors, which offer only limited functionality. A more recent trend consists of using Wireless Sensor Networks (WSN) for such purpose, which reduces the required investment and enables the development of new collaborative and intelligent applications that further contribute to improve both driving safety and traffic efficiency. This paper surveys the application of WSNs to such ITS scenarios, tackling the main issues that may arise when developing these systems. The paper is divided into sections which address different matters including vehicle detection and classification as well as the selection of appropriate communication protocols, network architecture, topology and some important design parameters. In addition, in line with the multiplicity of different technologies that take part in ITS, it does not consider WSNs just as stand-alone systems, but also as key components of heterogeneous systems cooperating along with other technologies employed in vehicular scenarios

    SCALABLE AND EFFICIENT VERTICAL HANDOVER DECISION ALGORITHMS IN VEHICULAR NETWORK CONTEXTS

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    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

    Joint ERCIM eMobility and MobiSense Workshop

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