Delay Tolerant Networks for Efficient Information Harvesting and Distribution in Intelligent Transportation Systems

[EN] Intelligent Transportation Systems (ITS) can make transportation safer, more efficient, and more sustainable by applying various information and communication technologies. One of these technologies are \acfp{VN}. \acp{VN} combine different communication solutions such as cellular networks, \acfp{VANET}, or IEEE 802.11 technologies to provide connectivity among vehicles, and between vehicles and road infrastructure. This thesis focuses on VNs, and considers that the high speed of the nodes and the presence of obstacles like buildings, produces a highly variable network topology, as well as more frequent partitions in the network. Therefore, classical \ac{MANET} protocols do not adapt well to VANETs. Under these conditions, \ac{DTN} have been proposed as an alternative able to cope with these adverse characteristics. In DTN, when a message cannot be routed to its destination, it is not immediately dropped but it is instead stored and carried until a new route becomes available. The combination of VN and DTN is called \acp{VDTN}. In this thesis, we propose a new VDTN protocol designed to collect information from vehicular sensors. Our proposal, called \ac{MSDP}, combines information about the localization obtained from a GNSS system with the actual street/road layout obtained from a Navigation System (NS) to define a new routing metric. Both analytical and simulation results prove that MSDP outperforms previous proposals. Concerning the deployment of VNs and VANET technologies, technology already left behind the innovation and the standardization phases, and it is about time it reach the first early adopters in the market. However, most car manufacturers have decided to implement VN devices in the form of On Board Units (OBUs), which are expensive, heavily manufacturer dependent, and difficult to upgrade. These facts are delaying the deployment of VN. To boost this process, we have developed the GRCBox architecture. This architecture is based on low-cost devices and enables the establishment of V2X, \emph{i.e.} V2I and V2V, communications while integrating users by easing the use of general purpose devices like smartphones, tablets or laptops. To demonstrate the viability of the GRCBox architecture, we combined it with a DTN platform called Scampi to obtain actual results over a real VDTN scenario. We also present several GRCBox-aware applications that illustrate how developers can create applications that bring the potential of VN to user devices.[ES] Los sistemas de transporte inteligente (ITS) son el soporte para el establecimiento de un transporte más seguro, más eficiente y más sostenible mediante el uso de tecnologías de la información y las comunicaciones. Una de estas tecnologías son las redes vehiculares (VNs). Las VNs combinan diferentes tecnologías de comunicación como las redes celulares, las redes ad-hoc vehiculares (VANETs) o las redes 802.11p para proporcionar conectividad entre vehículos, y entre vehículos y la infraestructura de carreteras. Esta tesis se centra en las VNs, en las cuales la alta velocidad de los nodos y la presencia de obstáculos como edificios producen una topología de red altamente variable, así como frecuentes particiones en la red. Debido a estas características, los protocolos para redes móviles ad-hoc (MANETs) no se adaptan bien a las VANETs. En estas condiciones, las redes tolerantes a retardos (DTNs) se han propuesto como una alternativa capaz de hacer frente a estos problemas. En DTN, cuando un mensaje no puede ser encaminado hacia su destino, no es inmediatamente descartado sino es almacenado hasta que una nueva ruta esta disponible. Cuando las VNs y las DTNs se combinan surgen las redes vehiculares tolerantes a retardos (VDTN). En esta tesis proponemos un nuevo protocolo para VDTNs diseñado para recolectar la información generada por sensores vehiculares. Nuestra propuesta, llamada MSDP, combina la información obtenida del servicio de información geográfica (GIS) con el mapa real de las calles obtenido del sistema de navegación (NS) para definir una nueva métrica de encaminamiento. Resultados analíticos y mediante simulaciones prueban que MSDP mejora el rendimiento de propuestas anteriores. En relación con el despliegue de las VNs y las tecnologías VANET, la tecnología ha dejado atrás las fases de innovación y estandarización, ahora es el momento de alcanzar a los primeros usuarios del mercado. Sin embargo, la mayoría de fabricantes han decidido implementar los dispositivos para VN como unidades de a bordo (OBU), las cuales son caras y difíciles de actualizar. Además, las OBUs son muy dependientes del fabricante original. Todo esto esta retrasando el despliegue de las VNs. Para acelerar la adopción de las VNs, hemos desarrollado la arquitectura GRCBox. La arquitectura GRCBox esta basada en un dispositivo de bajo coste que permite a los usuarios usar comunicaciones V2X (V2V y V2I) mientras utilizan dispositivos de propósito general como teléfonos inteligentes, tabletas o portátiles. Las pruebas incluidas en esta tesis demuestran la viabilidad de la arquitectura GRCBox. Mediante la combinación de nuestra GRCBox y una plataforma de DTN llamada Scampi hemos diseñado y probado un escenario VDTN real. También presentamos como los desarrolladores pueden crear nuevas aplicaciones GRCBox para llevar el potencial de las VN a los dispositivos de usuario.[CA] Els sistemes de transport intel·ligent (ITS) poden crear un transport més segur, més eficient i més sostenible mitjançant l'ús de tecnologies de la informació i les comunicacions aplicades al transport. Una d'aquestes tecnologies són les xarxes vehiculars (VN). Les VN combinen diferents tecnologies de comunicació, com ara les xarxes cel·lulars, les xarxes ad-hoc vehiculars (VANET) o les xarxes 802.11p, per a proporcionar comunicació entre vehicles, i entre vehicles i la infraestructura de carreteres. Aquesta tesi se centra en les VANET, en les quals l'alta velocitat dels nodes i la presència d'obstacles, com els edificis, produeixen una topologia de xarxa altament variable, i també freqüents particions en la xarxa. Per aquest motiu, els protocols per a xarxes mòbils ad-hoc (MANET) no s'adapten bé. En aquestes condicions, les xarxes tolerants a retards (DTN) s'han proposat com una alternativa capaç de fer front a aquests problemes. En DTN, quan un missatge no pot ser encaminat cap a la seua destinació, no és immediatament descartat sinó que és emmagatzemat fins que apareix una ruta nova. Quan les VN i les DTN es combinen sorgeixen les xarxes vehicular tolerants a retards (VDTN). En aquesta tesi proposem un nou protocol per a VDTN dissenyat per a recol·lectar la informació generada per sensors vehiculars. La nostra proposta, anomenada MSDP, combina la informació obtinguda del servei d'informació geogràfica (GIS) amb el mapa real dels carrers obtingut del sistema de navegació (NS) per a definir una nova mètrica d'encaminament. Resultats analítics i mitjançant simulacions proven que MSDP millora el rendiment de propostes prèvies. En relació amb el desplegament de les VN i les tecnologies VANET, la tecnologia ha deixat arrere les fases d'innovació i estandardització, ara és temps d'aconseguir als primers usuaris del mercat. No obstant això, la majoria de fabricants han decidit implementar els dispositius per a VN com a unitats de bord (OBU), les quals són cares i difícils d'actualitzar. A més, les OBU són molt dependents del fabricant original. Tot això està retardant el desplegament de les VN. Per a accelerar l'adopció de les VN, hem desenvolupat l'arquitectura GRCBox. L'arquitectura GRCBox està basada en un dispositiu de baix cost que permet als usuaris usar comunicacions V2V mentre usen dispositius de propòsit general, com ara telèfons intel·ligents, tauletes o portàtils. Les proves incloses en aquesta tesi demostren la viabilitat de l'arquitectura GRCBox. Mitjançant la combinació de la nostra GRCBox i la plataforma de DTN Scampi, hem dissenyat i provat un escenari VDTN pràctic. També presentem com els desenvolupadors poden crear noves aplicacions GRCBox per a portar el potencial de les VN als dispositius d'usuari.Martínez Tornell, S. (2016). Delay Tolerant Networks for Efficient Information Harvesting and Distribution in Intelligent Transportation Systems [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68486TESI

Modelos, Algoritmos y Protocolos para Redes de Comunicaciones Tolerantes a Interrupciones con Alto Grado de Predecibilidad

Tesis (DCI)--FCEFN-UNC, 2019La industria de las comunicaciones satelitales ha mostrado un avance limitado en las últimas décadas en comparación con la evolución de las redes terrestres tales como Internet. La razón principal consiste en que el entorno espacial es radicalmente diferente al terrestre, lo cual impacta considerablemente en la estabilidad de las conexiones y en el hecho de que los protocolos de comunicación utilizados en Tierra resulten inadecuados y/o ineficientes cuando se tratan de adaptar al espacio. Sin embargo, recientemente, y producto de un esfuerzo conjunto de diferentes agencias espaciales (NASA, ESA, CONAE, etc), se ha comenzado a estudiar y experimentar con estrategias de comunicaciones en red que son capaces de tolerar retardos e interrupciones mediante un cambio paradigmático en la forma de realizar dichas comunicaciones. En particular, se ha propuesto una arquitectura de protocolos llamada Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN), y que dada la predecibilidad de las trayectorias satelitales, permite aprovechar un plande contactos compuesto por las oportunidades de comunicación en el futuro, lo que permite a los satélites tomar decisiones eficientes sobre cómo y cuándo transmitir el tráfico generado o recibido desde otros satélites. En los últimos años, se han llevado a cabo numerosos avances en la implementación de DTN y se han realizado experimentos en órbita que avalan el potencial beneficio de esta arquitectura. Además, se ha estudiado el problema del diseño del plan de contactos que constituye el proceso de configurar y elegir apropiadamente las oportunidades de comunicación con el objetivo de optimizar el rendimiento y realizar una adecuada gestión de los limitados recursos que se disponen en este tipo de redes. Sin embargo, esta arquitectura se encuentra aún en una etapa de maduración y son numerosos los desafíos que deben ser superados. En particular, en esta tesis se pone el foco en el problema de la congestión que ocurre cuando la planificación referida a la utilización de los recursos no resulta apropiada. Básicamente, se proponen mecanismos que actúan, por un lado, sobre el algoritmo de enrutamiento ejecutado de manera distribuida por los satélites de la red, y por otro, sobre el diseño automático del plan de contactos. Adicionalmente, se realizan aportes referidos a los problemas de incertidumbre y de escalabilidad e integración de la red. De esta manera, en esta investigación contribuimos con enfoques originales en los que se aprovecha la predictibilidad de las comunicaciones satelitales para proveer mecanismos de gestión y toma de decisiones de manera automatizada, solucionando de esta forma problemas cuya complejidad aumenta drásticamente con la cantidad de satélites y tiempos de evaluación. Cabe destacar además, que si bien los aportes realizados pueden ser utilizados de forma general en la arquitectura DTN, los mismos encuentran aplicación dentro del Plan Espacial Argentino, ya que esta arquitectura resulta particularmente adecuada para ser aplicada en las nuevas misiones satelitales distribuidas que propone CONAE para la observación terrestre. Por lo tanto, los aportes brindados en esta tesis tienen alcance hacia protocolos desarrollados mediante colaboraciones internacionales y podrían además ser utilizados en nuestro país para resolver desafíos de interés local

Délestage de données en D2D : de la modélisation à la mise en oeuvre

Mobile data traffic is expected to reach 24.3 exabytes by 2019. Accommodating this growth in a traditional way would require major investments in the radio access network. In this thesis, we turn our attention to an unconventional solution: mobile data offloading through device-to-device (D2D) communications. Our first contribution is DROiD, an offloading strategy that exploits the availability of the cellular infrastructure as a feedback channel. DROiD adapts the injection strategy to the pace of the dissemination, resulting at the same time reactive and relatively simple, allowing to save a relevant amount of data traffic even in the case of tight delivery delay constraints.Then, we shift the focus to the gains that D2D communications could bring if coupled with multicast wireless networks. We demonstrate that by employing a wise balance of multicast and D2D communications we can improve both the spectral efficiency and the load in cellular networks. In order to let the network adapt to current conditions, we devise a learning strategy based on the multi-armed bandit algorithm to identify the best mix of multicast and D2D communications. Finally, we investigate the cost models for operators wanting to reward users who cooperate in D2D offloading. We propose separating the notion of seeders (users that carry content but do not distribute it) and forwarders (users that are tasked to distribute content). With the aid of the analytic framework based on Pontryagin's Maximum Principle, we develop an optimal offloading strategy. Results provide us with an insight on the interactions between seeders, forwarders, and the evolution of data dissemination.Le trafic mobile global atteindra 24,3 exa-octets en 2019. Accueillir cette croissance dans les réseaux d’accès radio devient un véritable casse-tête. Nous porterons donc toute notre attention sur l'une des solutions à ce problème : le délestage (offloading) grâce à des communications de dispositif à dispositif (D2D). Notre première contribution est DROiD, une stratégie qui exploite la disponibilité de l'infrastructure cellulaire comme un canal de retour afin de suivre l'évolution de la diffusion d’un contenu. DROiD s’adapte au rythme de la diffusion, permettant d'économiser une quantité élevée de données cellulaires, même dans le cas de contraintes de réception très serrées. Ensuite, nous mettons l'accent sur les gains que les communications D2D pourraient apporter si elles étaient couplées avec les transmissions multicast. Par l’utilisation équilibrée d'un mix de multicast, et de communications D2D, nous pouvons améliorer, à la fois, l'efficacité spectrale ainsi que la charge du réseau. Afin de permettre l’adaptation aux conditions réelles, nous élaborons une stratégie d'apprentissage basée sur l'algorithme dit ‘’bandit manchot’’ pour identifier la meilleure combinaison de communications multicast et D2D. Enfin, nous mettrons en avant des modèles de coûts pour les opérateurs, désireux de récompenser les utilisateurs qui coopèrent dans le délestage D2D. Nous proposons, pour cela, de séparer la notion de seeders (utilisateurs qui transportent contenu, mais ne le distribuent pas) et de forwarders (utilisateurs qui sont chargés de distribuer le contenu). Avec l'aide d’un outil analytique basée sur le principe maximal de Pontryagin, nous développons une stratégie optimale de délestage