Comunicações veiculares híbridas

Vehicle Communications is a promising research field, with a great potential for the development of new applications capable of improving road safety, traffic efficiency, as well as passenger comfort and infotainment. Vehicle communication technologies can be short-range, such as ETSI ITS-G5 or the 5G PC5 sidelink channel, or long-range, using the cellular network (LTE or 5G). However, none of the technologies alone can support the expected variety of applications for a large number of vehicles, nor all the temporal and spatial requirements of connected and autonomous vehicles. Thus, it is proposed the collaborative or hybrid use of short-range communications, with lower latency, and of long-range technologies, potentially with higher latency, but integrating aggregated data of wider geographic scope. In this context, this work presents a hybrid vehicle communications model, capable of providing connectivity through two Radio Access Technologies (RAT), namely, ETSI ITS-G5 and LTE, to increase the probability of message delivery and, consequently, achieving a more robust, efficient and secure vehicle communication system. The implementation of short-range communication channels is done using Raw Packet Sockets, while the cellular connection is established using the Advanced Messaging Queuing Protocol (AMQP) protocol. The main contribution of this dissertation focuses on the design, implementation and evaluation of a Hybrid Routing Sublayer, capable of isolating messages that are formed/decoded from transmission/reception processes. This layer is, therefore, capable of managing traffic coming/destined to the application layer of intelligent transport systems (ITS), adapting and passing ITS messages between the highest layers of the protocol stack and the available radio access technologies. The Hybrid Routing Sublayer also reduces the financial costs due to the use of cellular communications and increases the efficiency of the use of the available electromagnetic spectrum, by introducing a cellular link controller using a Beacon Detector, which takes informed decisions related to the need to connect to a cellular network, according to different scenarios. The experimental results prove that hybrid vehicular communications meet the requirements of cooperative intelligent transport systems, by taking advantage of the benefits of both communication technologies. When evaluated independently, the ITS-G5 technology has obvious advantages in terms of latency over the LTE technology, while the LTE technology performs better than ITS-G5, in terms of throughput and reliability.As Comunicações Veiculares são um campo de pesquisa promissor, com um grande potencial de desenvolvimento de novas aplicações capazes de melhorar a segurança nas estradas, a eficiência do tráfego, bem com o conforto e entretenimento dos passageiros. As tecnologias de comunicação veícular podem ser de curto alcance, como por exemplo ETSI ITS-G5 ou o canal PC5 do 5G, ou de longo alcance, recorrendo à rede celular (LTE ou 5G). No entanto, nenhuma das tecnologias por si só, consegue suportar a variedade expectável de aplicações para um número de veículos elevado nem tampouco todos os requisitos temporais e espaciais dos veículos conectados e autónomos. Assim, é proposto o uso colaborativo ou híbrido de comunicações de curto alcance, com latências menores, e de tecnologias de longo alcance, potencialmente com maiores latências, mas integrando dados agregados de maior abrangência geográfica. Neste contexto, este trabalho apresenta um modelo de comunicações veiculares híbrido, capaz de fornecer conectividade por meio de duas Tecnologias de Acesso por Rádio (RAT), a saber, ETSI ITS-G5 e LTE, para aumentar a probabilidade de entrega de mensagens e, consequentemente, alcançar um sistema de comunicação veicular mais robusto, eficiente e seguro. A implementação de canais de comunicação de curto alcance é feita usando Raw Packet Sockets, enquanto que a ligação celular é estabelecida usando o protocolo Advanced Messaging Queuing Protocol (AMQP). A contribuição principal desta dissertação foca-se no projeto, implementação e avaliação de uma sub camada hibrída de encaminhamento, capaz de isolar mensagens que se formam/descodificam a partir de processos de transmissão/receção. Esta camadada é, portanto, capaz de gerir o tráfego proveniente/destinado à camada de aplicação de sistemas inteligentes de transportes (ITS) adaptando e passando mensagens ITS entre as camadas mais altas da pilha protocolar e as tecnologias de acesso rádio disponíveis. A sub camada hibrída de encaminhamento também potencia uma redução dos custos financeiros devidos ao uso de comunicações celulares e aumenta a eficiência do uso do espectro electromagnético disponível, ao introduzir um múdulo controlador da ligação celular, utilizando um Beacon Detector, que toma decisões informadas relacionadas com a necessidade de uma conexão a uma rede celular, de acordo com diferentes cenários. Os resultados experimentais comprovam que as comunicações veículares híbridas cumprem os requisitos dos sistemas cooperativos de transporte inteligentes, ao tirarem partido das vantagens de ambas tecnologias de comunicação. Quando avaliadas de forma independente, constata-se que que a tecnologia ITS-G5 tem vantagens evidentes em termos de latência sobre a tecnologia LTE, enquanto que a tecnologia LTE tem melhor desempenho que a LTE, ai nível de débito e fiabilidade.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe

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