Design and performance evaluation of smart dissemination of emergence messages in vehicular ad-hoc networks

The growing demand to improve road safety and optimize road traffic has generated great interest in vehicular ad-hoc network (VANETs). Serious traffic accidents can cause financial losses, physical disability, and even death. However, if drivers were informed about the danger in advance through a warning message, this would give drivers enough time to react appropriately to the situation. There are many approaches that can prevent car accidents, and VANETs have been conceived as an excellent solution to improve road safety, through the use of a variety of applications enabled by vehicle communications. The key objective of this research is to achieve information dissemination from a vehicle to other vehicles around that migth be interested in receiving the content. We focus on the network layer and application layer protocols, which are discussed and developed as a protocol over the respective access technologies. We primarily present the research results of our proposals, and also provide a comprehensive review of existing challenges and solutions in data dissemination in VANETs. Our proposals include the design of three dissemination protocols compatible with the IEEE 802.11p standards for road safety applications. These dissemination protocols can be differentiated by their application trigger condition and the broadcast scheme. All three dissemination protocols have been implemented in the simulator VEINS to perform several large-scale experiments. The results of the experiments have shown that all three dissemination protocols are able to cope with an increasing number of vehicles in large scale scenarios without sufering a noticeable loss in performance. Finally, we have investigated solutions to increase the driver's privacy because VANETs can also introduce some location privacy risk by periodically broadcast beacon messages that include the vehicle's position. We evaluate the performance of the privacy schemes, described the experiments and discussed the results.La creixent demanda per millorar la seguretat viària i optimitzar el trànsit viari ha generat gran interès en les xarxes vehiculars ad-hoc (VANETs). Els accidents de trànsit greus poden causar pèrdues financeres, discapacitat física i fins i tot la mort. No obstant això, si els conductors van ser informats per endavant sobre el perill a través d’un missatge d’advertència, això donaria als conductors el temps suficient per reaccionar de manera apropiada a la situació. Hi ha molts enfocaments que poden prevenir accidents automobilístics, i les VANETs s’han concebut com una excel·lent solució per millorar la seguretat viària, a través de l’ús d’una varietat d’aplicacions habilitades per les comunicacions vehiculars. L’objectiu principal d’aquesta investigació és aconseguir la disseminació de la informació des d’un vehicle a altres vehicles que estiguin interessats en rebre el contingut. Ens enfoquem en la capa de xarxa i els protocols de capa d’aplicació, que es discuteixen i desenvolupen com un protocol sobre les respectives tecnologies d'accés. Principalment vam presentar els resultats d’investigació de les nostres propostes, i també provem una revisió exhaustiva dels desafiaments i solucions existents en la disseminació de dades en les VANETs. Les nostres propostes inclouen el disseny de tres protocols de disseminació compatibles amb els estàndards IEEE 802.11p per a aplicacions de seguretat viària. Aquests protocols de disseminació es poden diferenciar per la condició d’activació de l’aplicació i l’esquema de difusió. Els tres protocols de disseminació s’han implementat en el simulador VEINS per a realitzar diversos experiments a gran escala. Els resultats dels experiments han demostrat que els tres protocols de disseminació són capaços de fer front a un nombre creixent de vehicles en escenaris de gran escala sense patir una pèrdua notable en el rendiment. Finalment, hem investigat solucions per augmentar la privacitat del conductor perquè les VANETs també poden introduir algun risc de privacitat de la ubicació mitjanant missatges beacon emesos periòdicament que inclouen la posició dels vehicles. Avaluem l’acompliment dels esquemes de privacitat, descrivim els experiments i discutim els resultats.Postprint (published version

Towards video streaming in IoT environments: vehicular communication perspective

Multimedia oriented Internet of Things (IoT) enables pervasive and real-time communication of video, audio and image data among devices in an immediate surroundings. Today's vehicles have the capability of supporting real time multimedia acquisition. Vehicles with high illuminating infrared cameras and customized sensors can communicate with other on-road devices using dedicated short-range communication (DSRC) and 5G enabled communication technologies. Real time incidence of both urban and highway vehicular traffic environment can be captured and transmitted using vehicle-to-vehicle and vehicle-to-infrastructure communication modes. Video streaming in vehicular IoT (VSV-IoT) environments is in growing stage with several challenges that need to be addressed ranging from limited resources in IoT devices, intermittent connection in vehicular networks, heterogeneous devices, dynamism and scalability in video encoding, bandwidth underutilization in video delivery, and attaining application-precise quality of service in video streaming. In this context, this paper presents a comprehensive review on video streaming in IoT environments focusing on vehicular communication perspective. Specifically, significance of video streaming in vehicular IoT environments is highlighted focusing on integration of vehicular communication with 5G enabled IoT technologies, and smart city oriented application areas for VSV-IoT. A taxonomy is presented for the classification of related literature on video streaming in vehicular network environments. Following the taxonomy, critical review of literature is performed focusing on major functional model, strengths and weaknesses. Metrics for video streaming in vehicular IoT environments are derived and comparatively analyzed in terms of their usage and evaluation capabilities. Open research challenges in VSV-IoT are identified as future directions of research in the area. The survey would benefit both IoT and vehicle industry practitioners and researchers, in terms of augmenting understanding of vehicular video streaming and its IoT related trends and issues

Design and performance evaluation of smart dissemination of emergence messages in vehicular ad-hoc networks

The growing demand to improve road safety and optimize road traffic has generated great interest in vehicular ad-hoc network (VANETs). Serious traffic accidents can cause financial losses, physical disability, and even death. However, if drivers were informed about the danger in advance through a warning message, this would give drivers enough time to react appropriately to the situation. There are many approaches that can prevent car accidents, and VANETs have been conceived as an excellent solution to improve road safety, through the use of a variety of applications enabled by vehicle communications. The key objective of this research is to achieve information dissemination from a vehicle to other vehicles around that migth be interested in receiving the content. We focus on the network layer and application layer protocols, which are discussed and developed as a protocol over the respective access technologies. We primarily present the research results of our proposals, and also provide a comprehensive review of existing challenges and solutions in data dissemination in VANETs. Our proposals include the design of three dissemination protocols compatible with the IEEE 802.11p standards for road safety applications. These dissemination protocols can be differentiated by their application trigger condition and the broadcast scheme. All three dissemination protocols have been implemented in the simulator VEINS to perform several large-scale experiments. The results of the experiments have shown that all three dissemination protocols are able to cope with an increasing number of vehicles in large scale scenarios without sufering a noticeable loss in performance. Finally, we have investigated solutions to increase the driver's privacy because VANETs can also introduce some location privacy risk by periodically broadcast beacon messages that include the vehicle's position. We evaluate the performance of the privacy schemes, described the experiments and discussed the results.La creixent demanda per millorar la seguretat viària i optimitzar el trànsit viari ha generat gran interès en les xarxes vehiculars ad-hoc (VANETs). Els accidents de trànsit greus poden causar pèrdues financeres, discapacitat física i fins i tot la mort. No obstant això, si els conductors van ser informats per endavant sobre el perill a través d’un missatge d’advertència, això donaria als conductors el temps suficient per reaccionar de manera apropiada a la situació. Hi ha molts enfocaments que poden prevenir accidents automobilístics, i les VANETs s’han concebut com una excel·lent solució per millorar la seguretat viària, a través de l’ús d’una varietat d’aplicacions habilitades per les comunicacions vehiculars. L’objectiu principal d’aquesta investigació és aconseguir la disseminació de la informació des d’un vehicle a altres vehicles que estiguin interessats en rebre el contingut. Ens enfoquem en la capa de xarxa i els protocols de capa d’aplicació, que es discuteixen i desenvolupen com un protocol sobre les respectives tecnologies d'accés. Principalment vam presentar els resultats d’investigació de les nostres propostes, i també provem una revisió exhaustiva dels desafiaments i solucions existents en la disseminació de dades en les VANETs. Les nostres propostes inclouen el disseny de tres protocols de disseminació compatibles amb els estàndards IEEE 802.11p per a aplicacions de seguretat viària. Aquests protocols de disseminació es poden diferenciar per la condició d’activació de l’aplicació i l’esquema de difusió. Els tres protocols de disseminació s’han implementat en el simulador VEINS per a realitzar diversos experiments a gran escala. Els resultats dels experiments han demostrat que els tres protocols de disseminació són capaços de fer front a un nombre creixent de vehicles en escenaris de gran escala sense patir una pèrdua notable en el rendiment. Finalment, hem investigat solucions per augmentar la privacitat del conductor perquè les VANETs també poden introduir algun risc de privacitat de la ubicació mitjanant missatges beacon emesos periòdicament que inclouen la posició dels vehicles. Avaluem l’acompliment dels esquemes de privacitat, descrivim els experiments i discutim els resultats

Efficient real-time video delivery in vehicular networks

Tesis por compendio[EN] Vehicular Ad-hoc Networks (VANET) are a special type of networks where the nodes involved in the communication are vehicles. VANETs are created when several vehicles connect among themselves without the use of any infrastructure. In certain situations the absence of infrastructure is an advantage, but it also creates several challenges that should be overcome. One of the main problems related with the absence of infrastructure is the lack of a coordinator that can ensure a certain level of quality in order to enable the correct transmission of video and audio. Video transmission can be extremely useful in this type of networks as it can be used for videoconferencing of by traffic authorities to monitor the scene of an accident. In this thesis we focused on real time video transmission, providing solutions for both unicast and multicast environments. Specifically, we built a real-world testbed scenario and made a comparison with simulation results to validate the behavior of the simulation models. Using that testbed we implemented and improved DACME, an admission control module able to provide Quality of Service (QoS) to unicast video transmissions. DACME proved to be a valid solution to obtain a certain level of QoS in multi-hop environments. Concerning multicast video transmission, we developed and simulated several flooding schemes, focusing specifically on VANET environments. In this scope, the main contribution of this thesis is the Automatic Copies Distance Based (ACDB) flooding scheme. Thanks to the use of the perceived vehicular density, ACDB is a zeroconf scheme able to achieve good video quality in both urban and highway environments, being specially effective in highway environments.[ES] Las redes vehiculares ad-hoc (VANET) son un tipo especial de redes en las que los nodos que participan de la comunicación son vehículos. Las VANETs se crean cuando diversos vehículos se conectan entre ellos sin el uso de ninguna infraestructura. En determinadas situaciones, la ausencia de infraestructura es una ventaja, pero también crea una gran cantidad de desafíos que se deben superar. Uno de los principales problemas relacionados con la ausencia de infraestructura, es la ausencia de un coordinador que pueda asegurar un determinado nivel de calidad, para poder asegurar la correcta transmisión de audio y vídeo. La transmisión de vídeo puede ser de extrema utilidad en este tipo de redes ya que puede ser empleada para videoconferencias o por las autoridades de tráfico para monitorizar el estado de un accidente. En esta tesis nos centramos en la transmisión de vídeo en tiempo real, proveyendo soluciones tanto para entornos unicast como multicast. En particular construimos un banco de pruebas real y comparamos los resultados obtenidos con resultados obtenidos en un entorno simulado para comprobar la fiabilidad de estos modelos. Usando el mismo banco de pruebas, implementamos y mejoramos DACME, un módulo de control de admisión capaz de proveer de calidad de servicio a transmisiones de vídeo unicast. DACME probó ser una solución válida para obtener ciertos niveles de calidad de servicio en entornos multisalto. En lo referente a la transmisión de vídeo multicast, desarrollamos y simulamos diversos esquemas de difusión diseñados específicamente para entornos VANET. En este campo, la principal contribución de esta tesis es el esquema de difusión "Automatic Copies Distance Based" (ACDB). Gracias al uso de la densidad vehicular percibida, ACDB es un esquema, que sin necesidad de configuración, permite alcanzar una buena calidad de vídeo tanto en entornos urbanos como en autopistas, siendo especialmente efectivo en este último entorno.[CA] Les xarxes vehiculars ad-hoc (VANET) son un tipus de xarxes especials a les que els diferents nodes que formen part d'una comunicació son vehicles. Les VANETs es formen quan diversos vehicles es connecten sense fer ús de cap infraestructura. A certes situacions l'absència d'una infraestructura suposa un avantatge, encara que també genera una gran quantitat de desafiaments que s'han de superar. U dels principals problemes relacionats amb l'absència d'infraestructura, és la manca d'un coordinador que puga garantir una correcta transmissió tant de video com d'àudio. La transmissió de video pot ser d'extrema utilitat a aquest tipus de xarxes, ja que es por emprar tant per a videoconferències com per part de les autoritats de trànsit per monitoritzar l'estat d'un accident. A aquesta tesi ens centrem en transmissió de video en temps real, proporcionant solucions tant a entorns unicast como a entorns multicast. Particularment, vam construir un banc de proves i obtinguérem resultats que comparàrem amb resultats obtinguts mitjançant simulació. D'aquesta manera validarem la fiabilitat dels resultats simulats. Fent ús del mateix banc de proves, vàrem implementar i millorar DACME, un mòdul de control d'admissió, capaç de proveir de qualitat de servici a transmissions de video unicast. DACME va provar ser una bona solució per obtindré un bon nivell de qualitat de servici en entorns de xarxes ad-hoc amb diversos salts. Si ens centrem a la transmissió de video multicast, vàrem implementar i simular diferents esquemes de difusió, específicament dissenyats per al seu ús a entorns VANET. La principal contribució d'aquesta tesi es l'esquema de difusió ACDB (Automatic Copies Distance Based). Fent ús de la densitat vehicular, ACDB es capaç d'obtindre una bona qualitat de video tant a ciutats com a vies interurbanes, sent a especialment efectiu a aquestes últimes. A més a més no es necessària cap configuració per part de l'usuari.Torres Cortés, Á. (2016). Efficient real-time video delivery in vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62685TESISCompendi

Design and implementation of simulation tools, protocols and architectures to support service platforms on vehicular networks

Tesis por compendioProducts related with Intelligent Transportation Systems (ITS) are becoming a reality on our roads. All car manufacturers are starting to include Internet access in their vehicles and to integrate smartphones directly from the dashboard, but more and more services will be introduced in the near future. Connectivity through "vehicular networks" will become a cornerstone of every new proposal, and offering an adequate quality of service is obviously desirable. However, a lot of work is needed for vehicular networks to offer performances similar to those of the wired networks. Vehicular networks can be characterized by two main features: high variability due to mobility levels that can reach up to 250 kilometers per hour, and heterogeneity, being that various competing versions from different vendors have and will be released. Therefore, to make the deployment of efficient services possible, an extensive study must be carried out and adequate tools must be proposed and developed. This PhD thesis addresses the service deployment problem in these networks at three different levels: (i) the physical and link layer, showing an exhaustive analysis of the physical channel and models; (ii) the network layer, proposing a forwarding protocol for IP packets; and (iii) the transport layer, where protocols are proposed to improve data delivery. First of all, the two main wireless technologies used in vehicular networks where studied and modeled, namely the 802.11 family of standards, particularly 802.11p, and the cellular networks focusing on LTE. Since 802.11p is a quite mature standard, we defined (i) a propagation and attenuation model capable of replicating the transmission range and the fading behavior of real 802.11p devices, both in line-of-sight conditions and when obstructed by small obstacles, and (ii) a visibility model able to deal with large obstacles, such as buildings and houses, in a realistic manner. Additionally, we proposed a model based on high-level performance indicators (bandwidth and delay) for LTE, which makes application validation and evaluation easier. At the network layer, a hybrid protocol called AVE is proposed for packet forwarding by switching among a set of standard routing strategies. Depending on the specific scenario, AVE selects one out of four different routing solutions: a) two-hop direct delivery, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO), c) greedy georouting, and d) store-carry-and-forward technique, to dynamically adapt its behavior to the specific situation. At the transport layer, we proposed a content delivery protocol for reliable and bidirectional unicast communication in lossy links that improves content delivery in situations where the wireless network is the bottleneck. It has been designed, validated, optimized, and its performance has been analyzed in terms of throughput and resource efficiency. Finally, at system level, we propose an edge-assisted computing model that allows reducing the response latency of several queries by placing a computing unit at the network edge. This way, traffic traversal through the Internet is avoided when not needed. This scheme could be used in both 802.11p and cellular networks, and in this thesis we decided to focus on its evaluation using LTE networks. The platform presented in this thesis combines all the individual efforts to create a single efficient platform. This new environment could be used by any provider to improve the quality of the user experience obtainable through the proposed vehicular network-based services.Los productos relacionados con los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS) se están transformando en una realidad en nuestras carreteras. Todos los fabricantes de coches comienzan a incluir acceso a internet en sus vehículos y a facilitar su integración con los teléfonos móviles, pero más y más servicios se introducirán en el futuro. La conectividad usando las "redes vehiculares" se convertirá en la piedra angular de cada nueva propuesta, y ofrecer una calidad de servicio adecuada será, obviamente, deseable. Sin embargo, se necesita una gran cantidad de trabajo para que las redes vehiculares ofrezcan un rendimiento similar al de las redes cableadas. Las redes vehiculares quedan definidas por sus dos características básicas: alto dinamismo, pues los nodos pueden alcanzar una velocidad relativa de más de 250 km/h; y heterogeneidad, por la gran cantidad de propuestas diferentes que los fabricantes están lanzando al mercado. Por ello, para hacer posible el despliegue de servicios sobre ellas, se impone la necesidad de hacer un estudio en profundidad de este entorno, y deben de proponerse y desarrollarse las herramientas adecuadas. Esta tesis ataca la problemática del despliegue de servicios en estas redes a tres niveles diferentes: (i) el nivel físico y de enlace, mostrando varios análisis en profundidad del medio físico y modelos derivados para su simulación; (ii) el nivel de red, proponiendo un protocolo de difusión de la información para los paquetes IP; y (iii) el nivel de transporte, donde otros protocolos son propuestos para mejorar el rendimiento del transporte de datos. En primer lugar, se han estudiado y modelado las dos principales tecnologías inalámbricas que se utilizan para la comunicación en redes vehiculares, la rama de estándares 802.11, en concreto 802.11p; y la comunicación celular, en particular LTE. Dado que el estándar 802.11p es un estándar bastante maduro, nos centramos en crear (i) un modelo de propagación y atenuación capaz de replicar el rango de transmisión de dispositivos 802.11p reales, en condiciones de visión directa y obstrucción por pequeños obstáculos, y (ii) un modelo de visibilidad capaz de simular el efecto de grandes obstáculos, como son los edifcios, de una manera realista. Además, proponemos un modelo basado en indicadores de rendimiento de alto nivel (ancho de banda y retardo) para LTE, que facilita la validación y evaluación de aplicaciones. En el plano de red, se propone un protocolo híbrido, llamado AVE, para el encaminamiento y reenvío de paquetes usando un conjunto de estrategias estándar de enrutamiento. Dependiendo del escenario, AVE elige entre cuatro estrategias diferentes: a) entrega directa a dos saltos, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO) c) georouting voraz, y d) una técnica store-carry-and- forward, para adaptar su comportamiento dinámicamente a cada situación. En el plano de transporte, se propone un protocolo bidireccional de distribución de contenidos en canales con pérdidas que mejora la entrega de contenidos en situaciones en las que la red es un cuello de botella, como las redes inalámbricas. Ha sido diseñado, validado, optimizado, y su rendimiento ha sido analizado en términos de productividad y eficiencia en la utilización de recursos. Finalmente, a nivel de sistema, proponemos un modelo de computación asistida que permite reducir la latencia en la respuesta a muchas consultas colocando una unidad de computación en el borde de la red, i.e., la red de acceso. Este esquema podría ser usado en redes basadas en 802.11p y en redes celulares, si bien en esta tesis decidimos centrarnos en su evaluación usando redes LTE. La plataforma presentada en esta tesis combina todos los esfuerzos individuales para crear una plataforma única y eficiente. Este nuevo entorno puede ser usado por cualquier proveedor para mejorar la calidad de la experiencia de usuario en los servicios desplegados sobre redes vehiculares.Els productes relacionats amb els sistemes intel · ligents de transport (ITS) s'estan transformant en una realitat en les nostres carreteres. Tots els fabri- cants de cotxes comencen a incloure accés a internet en els vehicles i a facilitar- ne la integració amb els telèfons mòbils, però en el futur més i més serveis s'hi introduiran. La connectivitat usant les xarxes vehicular esdevindrà la pedra angular de cada nova proposta, i oferir una qualitat de servei adequada serà, òbviament, desitjable. No obstant això, es necessita una gran quantitat de treball perquè les xarxes vehiculars oferisquen un rendiment similar al de les xarxes cablejades. Les xarxes vehiculars queden definides per dues característiques bàsiques: alt dinamisme, ja que els nodes poden arribar a una velocitat relativa de més de 250 km/h; i heterogeneïtat, per la gran quantitat de propostes diferents que els fabricants estan llançant al mercat. Per això, per a fer possible el desplegament de serveis sobre aquestes xarxes, s'imposa la necessitat de fer un estudi en profunditat d'aquest entorn, i cal proposar i desenvolupar les eines adequades. Aquesta tesi ataca la problemàtica del desplegament de serveis en aquestes xarxes a tres nivells diferents: (i) el nivell físic i d'enllaç , mostrant diverses anàlisis en profunditat del medi físic i models derivats per simular-lo; (ii) el nivell de xarxa, proposant un protocol de difusió de la informació per als paquets IP; i (iii) el nivell de transport, on es proposen altres protocols per a millorar el rendiment del transport de dades. En primer lloc, s'han estudiat i modelat les dues principals tecnologies sense fils que s'utilitzen per a la comunicació en xarxes vehiculars, la branca d'estàndards 802.11, en concret 802.11p; i la comunicació cel · lular, en partic- ular LTE. Atès que l'estàndard 802.11p és un estàndard bastant madur, ens centrem a crear (i) un model de propagació i atenuació capaç de replicar el rang de transmissió de dispositius 802.11p reals, en condicions de visió directa i obstrucció per petits obstacles, i (ii) un model de visibilitat capaç de simular l'efecte de grans obstacles, com són els edificis, d'una manera realista. A més, proposem un model basat en indicadors de rendiment d'alt nivell (ample de banda i retard) per a LTE, que facilita la validació i l'avaluació d'aplicacions. En el pla de xarxa, es proposa un protocol híbrid, anomenat AVE, per a l'encaminament i el reenviament de paquets usant un conjunt d'estratègies estàndard d'encaminament. Depenent de l'escenari , AVE tria entre quatre estratègies diferents: a) lliurament directe a dos salts, b) Dynamic MANET On-demand (DYMO) c) georouting voraç, i d) una tècnica store-carry-and- forward, per a adaptar-ne el comportament dinàmicament a cada situació. En el pla de transport, es proposa un protocol bidireccional de distribució de continguts en canals amb pèrdues que millora el lliurament de continguts en situacions en què la xarxa és un coll de botella, com les xarxes sense fils. Ha sigut dissenyat, validat, optimitzat, i el seu rendiment ha sigut analitzat en termes de productivitat i eficiència en la utilització de recursos. Finalment, a nivell de sistema, proposem un model de computació assistida que permet reduir la latència en la resposta a moltes consultes col · locant una unitat de computació a la vora de la xarxa, és a dir, la xarxa d'accés. Aquest esquema podria ser usat en xarxes basades en 802.11p i en xarxes cel · lulars, si bé en aquesta tesi decidim centrar-nos en la seua avaluació usant xarxes LTE. La plataforma presentada en aquesta tesi combina tots els esforços indi- viduals per a crear una plataforma única i eficient. Aquest nou entorn pot ser usat per qualsevol proveïdor per a millorar la qualitat de l'experiència d'usuari en els serveis desplegats sobre xarxes vehiculars.Báguena Albaladejo, M. (2017). Design and implementation of simulation tools, protocols and architectures to support service platforms on vehicular networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/85333TESISCompendi

Named Data Networking in Vehicular Ad hoc Networks: State-of-the-Art and Challenges

International audienceInformation-Centric Networking (ICN) has been proposed as one of the future Internet architectures. It is poised to address the challenges faced by today's Internet that include, but not limited to, scalability, addressing, security, and privacy. Furthermore, it also aims at meeting the requirements for new emerging Internet applications. To realize ICN, Named Data Networking (NDN) is one of the recent implementations of ICN that provides a suitable communication approach due to its clean slate design and simple communication model. There are a plethora of applications realized through ICN in different domains where data is the focal point of communication. One such domain is Intelligent Transportation System (ITS) realized through Vehicular Ad hoc NETwork (VANET) where vehicles exchange information and content with each other and with the infrastructure. To date, excellent research results have been yielded in the VANET domain aiming at safe, reliable, and infotainment-rich driving experience. However, due to the dynamic topologies, host-centric model, and ephemeral nature of vehicular communication, various challenges are faced by VANET that hinder the realization of successful vehicular networks and adversely affect the data dissemination, content delivery, and user experiences. To fill these gaps, NDN has been extensively used as underlying communication paradigm for VANET. Inspired by the extensive research results in NDN-based VANET, in this paper, we provide a detailed and systematic review of NDN-driven VANET. More precisely, we investigate the role of NDN in VANET and discuss the feasibility of NDN architecture in VANET environment. Subsequently, we cover in detail, NDN-based naming, routing and forwarding, caching, mobility, and security mechanism for VANET. Furthermore, we discuss the existing standards, solutions, and simulation tools used in NDN-based VANET. Finally, we also identify open challenges and issues faced by NDN-driven VANET and highlight future research directions that should be addressed by the research community

Improving TCP behaviour to non-invasively share spectrum with safety messages in VANET

There is a broad range of technologies available for wireless communications for moving vehicles, such as Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMax), 3G, Dedicated Short Range Communication (DSRC)/ Wireless Access for Vehicular Environment (WAVE) and Mobile Broadband Wireless Access (MBWA). These technologies are needed to support delay-sensitive safety related applications such as collision avoidance and emergency breaking. Among them, the IEEE802.11p standard (aka DSRC/WAVE), a Wi-Fi based medium RF range technology, is considered to be one of the best suited draft architectures for time-sensitive safety applications. In addition to safety applications, however, services of non-safety nature like electronic toll tax collection, infotainment and traffic control are also becoming important these days. To support delay-insensitive infotainment applications, the DSRC protocol suite also provides facilities to use Internet Protocols. The DSRC architecture actually consists of WAVE Short Messaging Protocol (WSMP) specifically formulated for realtime safety applications as well as the conventional transport layer protocols TCP/UDP for non-safety purposes. But the layer four protocol TCP was originally designed for reliable data delivery only over wired networks, and so the performance quality was not guaranteed for the wireless medium, especially in the highly unstable network topology engendered by fast moving vehicles. The vehicular wireless medium is inherently unreliable because of intermittent disconnections caused by moving vehicles, and in addition, it suffers from multi-path and fading phenomena (and a host of others) that greatly degrade the network performance. One of the TCP problems in the context of vehicular wireless network is that it interprets transmission errors as symptomatic of an incipient congestion situation and as a result, reduces the throughput deliberately by frequently invoking slow-start congestion control algorithms. Despite the availability of many congestion control mechanisms to address this problem, the conventional TCP continues to suffer from poor performance when deployed in the Vehicular Ad-hoc Network (VANET) environment. Moreover, the way non-safety applications, when pressed into service, will treat the existing delay-sensitive safety messaging applications and the way these two types of applications interact between them are not (well) understood, and therefore, in order for them to coexist, the implication and repercussion need to be examined closely. This is especially important as IEEE 802.11p standards are not designed keeping in view the issues TCP raises in relation to safety messages. This dissertation addresses the issues arising out of this situation and in particular confronts the congestion challenges thrown up in the context of heterogenous communication in VANET environment by proposing an innovative solution with two optimized congestion control algorithms. Extensive simulation studies conducted by the author shows that both these algorithms have improved TCP performance in terms of metrics like Packet Delivery Fraction (PDF), Packet Loss and End-to-End Delay (E2ED), and at the same time they encourage the non-safety TCP application to behave unobtrusively and cooperatively to a large extent with DSRC’s safety applications. The first algorithm, called vScalable-TCP – a modification of the existing TCPScalable variant – introduces a reliable transport protocol suitable for DSRC. In the proposed approach, whenever packets are discarded excessively due to congestion, the slow-start mechanism is purposely suppressed temporarily to avoid further congestion and packet loss. The crucial idea here is how to adjust and regulate the behaviour of vScalable-TCP in a way that the existing safety message flows are least disturbed. The simulation results confirm that the new vScalable-TCP provides better performance for real-time safety applications than TCP-Reno and other TCP variants considered in this thesis in terms of standard performance metrics. The second algorithm, named vLP-TCP – a modification of the existing TCP-LP variant – is designed to test and demonstrate that the strategy developed for vScalable-TCP is also compatible with another congestion control mechanism and achieves the same purpose. This expectation is borne out well by the simulation results. The same slow-start congestion management strategy has been employed but with only a few amendments. This modified algorithm also improves substantially the performance of basic safety management applications. The present work thus clearly confirms that both vScalable-TCP and vLP-TCP algorithms – the prefix ‘v’ to the names standing for ‘vehicular’ – outperform the existing unadorned TCP-Scalable and TCP-LP algorithms, in terms of standard performance metrics, while at the same time behaving in a friendly manner, by way of sharing bandwidth non-intrusively with DSRC safety applications. This paves the way for the smooth and harmonious coexistence of these two broad, clearly incompatible or complementary categories of applications – viz. time-sensitive safety applications and delay-tolerant infotainment applications – by narrowing down their apparent impedance or behavioural mismatch, when they are coerced to go hand in hand in a DSRC environment

Handoff management for infotainment services over vehicular networks

Intelligent Transportation Systems (ITS) has impulsed the vehicular communications at the present time. The vehicular communications field is a hot research topic and is attracting a great interest in the automotive industry and telecommunications. There are essentially two main lines of work: (1) communication services related to road safety and traffic information; and (2) information and entertainment services, also named infotainment services. These latter services include both transmitting multimedia (voice over IP, streaming, on-line gaming, etc.) and classic data services (e-mail, access to private networks, web browsing, file sharing, etc.). In this thesis we will focus on these infotainment services because further research in this immature research field is necessary and, until nowadays, the main effort of the research community regarding vehicular communication has been focused on road safety and traffic information. Vehicular nodes need to be reached from the Internet and vice versa to be able to access to infotainment services. While vehicles move along the road infrastructure, they change their wireless point of attachment to the network. During this process, connectivity breaks down until the vehicle is connected again to a new road side unit in its area. This disconnection causes a disruption in the communications. Fast handoffs are a crucial requirement for vehicular networks to avoid long disruption times, since the high speed of vehicular nodes involves suffering a lot of handoffs during an Internet connection. This thesis is focused on Vehicular-to-Infrastructure (V2I) real-time infotainment services. The main contributions of this thesis are: i) a new testing framework for V2I communications to be able to test infotainment services in an easy way; ii) the analysis of the deployability of infotainment video services in vehicular networks using mobility protocols; and iii) the development of a new TCP architecture that will provide a better performance for all TCP-based infotainment services in a vehicular scenario with handoffs. In this thesis, firstly, we propose a new testing framework for vehicular infotainment applications. This framework is a vehicular emulation platform that allows testing real applications installed on Linux virtual machines. Using emulation, we are able to evaluate the performance of real applications with real-time requirements, so we can test multimedia applications used to offer infotainment services in vehicular scenarios in a straightforward way. Secondly, using the testing framework implemented in the first part of the thesis, we have done a performance evaluation of an infotainment service. Among these services, we think that video on demand services on highways will be interesting for users, and generate revenue to network operators. So we evaluated how network-layer handoffs can limit the deployment of a video streaming service. According to the results obtained, driving at high speeds will be an issue for a correct playback of video content, even using fast handoffs techniques. Finally, we developed a new TCP architecture to enhance performance during handoffs. Most of the non-safety services on ITS rely on the Transport Control Protocol (TCP), one of the core protocols of the Internet Protocol Suite. However there exists several issues related to TCP and mobility that can affect to TCP performance, and these issues are particularly important in vehicular networks due to its high mobility. Using new IEEE 802.21 MIH services, we propose a new TCP architecture that is able to anticipate handoffs, permitting to resume the communication after a handoff, avoiding long delays caused by TCP issues and adapting the TCP parameters to the new characteristics of the network. Using the architecture proposed, the performance of TCP is enhanced, getting a higher overall throughput and avoiding TCP fairness issues between users.Els Sistemes de Transport Intel·ligents (ITS) han impulsat les comunicacions vehiculars en l'actualitat. Les comunicacions vehiculars és un camp d'investigació de moda, i està atraient un gran interès en la indústria automobilística i de les telecomunicacions. En el camp de les comunicacions vehiculars, hi ha principalment dues línies de treball: (1) serveis de comunicacions relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit; i (2) serveis d'informació i entreteniment, també anomenats serveis d'infotainment. Aquests últims inclouen tant serveis multimèdia (veu sobre IP, streaming, jocs on-line, etc.), com serveis clàssics de dades (correu electrònic, accés a xarxes privades, navegació web, compartir arxius, etc.). En aquesta tesi ens centrarem en aquests serveis d'infotainment ja que és necessari aprofundir en la investigació per aquests tipus de serveis, ja que, fins avui, els esforços de la comunitat científica en el camp de les comunicacions vehiculars s'ha centrat en els serveis relacionats amb la seguretat viària i la informació del trànsit. Els nodes vehiculars necessiten tenir connexió a Internet per a poder tenir accés als serveis d'infotainment. Mentre els vehicles estan en moviment a través de la xarxa viària, els vehicles han d'anar canviant el punt de connexió sense fils amb la xarxa. Durant aquest procés de canvi de punt de connexió, anomenat handoff, es perd la connectivitat fins que el vehicle es reconnecta a un altre punt de connexió viària prop de la seva àrea. Aquesta desconnexió causa interrupcions en les comunicacions. Uns handoffs ràpids són bàsics a les xarxes vehiculars per a evitar llargs períodes d'interrupció durant les comunicacions, ja que la gran velocitat a la que es mouen els nodes vehiculars significa un gran nombre de handoffs durant una connexió a Internet. Aquesta tesi es centra en serveis d'infotaiment en temps real per a comunicacions Vehicle-a-Infraestructura (V2I). Les principals contribucions d'aquesta tesi son: i) un nou marc de proves per a les comunicacions (V2I) per a poder provar serveis d'infotainment d'una manera fàcil; ii) l'anàlisi de la viabilitat del desplegament de serveis d'infotainment de vídeo en xarxes vehiculars utilitzant protocols de mobilitat IP; i iii) el desenvolupament d'una nova arquitectura TCP que proporciona un millor funcionament per a tots aquells serveis d'infotainment basats en el protocol TCP en un escenari vehicular amb handoffs. En aquesta tesi, primer proposem un nou marc de proves per a aplicacions vehiculars d'infotainment. Aquest marc és una plataforma d'emulació vehicular que permet provar aplicacions reals instal·lades en màquines virtuals Linux. Utilitzant l'emulació, som capaços d'avaluar el rendiment d'aplicacions reals amb característiques de temps real. D'aquesta manera es poden avaluar aplicacions multimèdia utilitzades per oferir serveis d'infotainment d'una forma senzilla en escenaris vehiculars. Segon, utilitzant el marc de prova implementat en la primera part de la tesi, hem avaluat el rendiment d'un servei d'infotainment. Entre aquest tipus de servei, creem que els serveis de vídeo sota demanda en autopistes/autovies serà interessant pels usuaris i generarà beneficis per als operadors de la xarxa. Per tant, hem avaluat com els handoffs a nivell de la capa de xarxa poden limitar el desplegament d'un servei de streaming de vídeo sota demanda. D'acord amb els resultats obtinguts, conduir a grans velocitats podria ser un problema per a poder reproduir un vídeo correctament, tot i utilitzar tècniques de handoffs ràpids. Finalment, hem desenvolupat una nova arquitectura TCP per a millorar el rendiment del protocol durant els handoffs. La majoria dels serveis d'infotainment utilitzen el Protocol de Control de Transport (TCP), un dels principals protocols de la pila de protocols d'Internet. Però existeixen forces problemes relacionats amb l'ús de TCP i la mobilitat que n'afecta el rendiment, i aquests problemes són particular