tinyLTE: Lightweight, Ad-Hoc Deployable Cellular Network for Vehicular Communication

The application of LTE technology has evolved from infrastructure-based deployments in licensed bands to new use cases covering ad hoc, device-to-device communications and unlicensed band operation. Vehicular communication is an emerging field of particular interest for LTE, covering in our understanding both automotive (cars) as well as unmanned aerial vehicles. Existing commercial equipment is designed for infrastructure making it unsuitable for vehicular applications requiring low weight and unlicensed band support (e.g. 5.9 GHz ITS-band). In this work, we present tinyLTE, a system design which provides fully autonomous, multi-purpose and ultra-compact LTE cells by utilizing existing open source eNB and EPC implementations. Due to its small form factor and low weight, the tinyLTE system enables mobile deployment on board of cars and drones as well as smooth integration with existing roadside infrastructure. Additionally, the standalone design allows for systems to be chained in a multi-hop configuration. The paper describes the lean and low-cost design concept and implementation followed by a performance evaluation for single and two-hop configurations at 5.9 GHz. The results from both lab and field experiments validate the feasibility of the tinyLTE approach and demonstrate its potential to even support real-time vehicular applications (e.g. with a lowest average end-to-end latency of around 7 ms in the lab experiment)

Enhancing infotainment applications quality of service in vehicular ad hoc networks

Les réseaux ad hoc de véhicules accueillent une multitude d’applications intéressantes. Parmi celles-ci, les applications d’info-divertissement visent à améliorer l’expérience des passagers. Ces applications ont des exigences rigides en termes de délai de livraison et de débit. De nombreuses approches ont été proposées pour assurer la qualité du service des dites applications. Elles sont réparties en deux couches : réseau et contrôle d’accès. Toutefois, ces méthodes présentent plusieurs lacunes. Cette thèse a trois volets. Le premier aborde la question du routage dans le milieu urbain. A cet égard, un nouveau protocole, appelé SCRP, a été proposé. Il exploite l’information sur la circulation des véhicules en temps réel pour créer des épines dorsales sur les routes et les connecter aux intersections à l’aide des nœuds de pont. Ces derniers collectent des informations concernant la connectivité et le délai, utilisées pour choisir les chemins de routage ayant un délai de bout-en-bout faible. Le deuxième s’attaque au problème d’affectation des canaux de services afin d’augmenter le débit. A cet effet, un nouveau mécanisme, appelé ASSCH, a été conçu. ASSCH collecte des informations sur les canaux en temps réel et les donne à un modèle stochastique afin de prédire leurs états dans l’avenir. Les canaux les moins encombrés sont sélectionnés pour être utilisés. Le dernier volet vise à proposer un modèle analytique pour examiner la performance du mécanisme EDCA de la norme IEEE 802.11p. Ce modèle tient en compte plusieurs facteurs, dont l’opportunité de transmission, non exploitée dans IEEE 802.11p.The fact that vehicular ad hoc network accommodates two types of communications, Vehicle-to-Vehicle and Vehicle-to-Infrastructure, has opened the door for a plethora of interesting applications to thrive. Some of these applications, known as infotainment applications, focus on enhancing the passengers' experience. They have rigid requirements in terms of delivery delay and throughput. Numerous approaches have been proposed, at medium access control and routing layers, to enhance the quality of service of such applications. However, existing schemes have several shortcomings. Subsequently, the design of new and efficient approaches is vital for the proper functioning of infotainment applications. This work proposes three schemes. The first is a novel routing protocol, labeled SCRP. It leverages real-time vehicular traffic information to create backbones over road segments and connect them at intersections using bridge nodes. These nodes are responsible for collecting connectivity and delay information, which are used to select routing paths with low end-to-end delay. The second is an altruistic service channel selection scheme, labeled ASSCH. It first collects real-time service channels information and feeds it to a stochastic model that predicts the state of these channels in the near future. The least congested channels are then selected to be used. The third is an analytical model for the performance of the IEEE 802.11p Enhanced Distributed Channel Access mechanism that considers various factors, including the transmission opportunity (TXOP), unexploited by IEEE 802.11p

Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments

[EN] In recent years, advances in wireless technologies and improved sensing and computational capabilities have led to a gradual transition towards Intelligent Transportation Systems (ITS) and related applications. These applications aim at improving road safety, provide smart navigation, and eco-friendly driving. Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) provide a communication structure for ITS by equipping cars with advanced sensors and communication devices that enable a direct exchange of information between vehicles. Different types of ITS applications rely on two types of messages: periodic beacons and event-driven messages. Beacons include information such as geographical location, speed, and acceleration, and they are only disseminated to a close neighborhood. Differently from beacons, event-driven messages are only generated when a critical event of general interest occurs, and it is spread within a specific target area for the duration of the event. The reliability of information exchange is one of the main issues for vehicularcommunications since the safety of people on the road is directly related to the effectiveness of these transmissions. A Medium Access Control (MAC) protocol must guarantee reliable beacon broadcasting within deadline bounds to all vehicles in the neighbourhood, thereby providing them timely notifications about unsafe driving conditions or other hazardous events. Moreover, infotainment and comfort applications require reliable unicast transmissions that must be taken into account. However, high node mobility, highly dynamic topology, and lack of a central control unit, are issues that make the design of a reliable MAC protocol for vehicular environments a very difficult and challenging task, especially when efficient broadcasting strategies are required. The IEEE 802.11p MAC protocol, an approved amendment to the IEEE 802.11 standard, is a random access protocol that is unable to provide guaranteed delay bounds with sufficient reliability in vehicular scenarios, especially under high channel usage. This problem is particularly serious when implementing (semi-) automated driving applications such as platooning, where inter-vehicle spacing is drastically reduced, and the control loop that manages and maintains the platoon requires frequent, timely and reliable exchange of status information (beacons). In this thesis novel protocols compatible with the IEEE 802.11 and 802.11p standards are proposed in order to optimally adjust the contention window size for unicast applications in Mobile Ad hoc Networks (MANETs) and VANETs. Experimental tests comparing our proposals to existing solutions show that the former are able to improve the packet delivery ratio and the average end-to-end delay for unicast applications. Concerning efficient message diffusion (broadcast) in VANET environments, we proposed token-based MAC solutions to improve the performance achieved by existing 802.11p driving safety applications in different vehicular environments, including highway, urban, and platooning scenarios. Experimental results show that the proposed solutions clearly outperform 802.11p when delay-bounded beacons and event notifications must be delivered.[ES] Recientemente, los avances en las tecnologías inalámbricas y las mejoras en términos de capacidades de sensorización y computación de los dispositivos electrónicos, han dado lugar a una transición gradual hacia servicios y aplicaciones de los Sistemas Inteligentes de Transporte (ITS). Estas aplicaciones tienen como objetivo mejorar la seguridad vial, proporcionar una navegación inteligente, y promover la conducción eco-eficiente. Las redes vehiculares ad hoc (VANETs) proporcionan una infraestructura de comunicaciones para ITS al equipar los coches con sensores avanzados y dispositivos de comunicación que permiten el intercambio directo de información entre vehículos. Los diferentes tipos de aplicaciones ITS se basan en dos tipos de mensajes: mensajes periódicos conocidos como beacons y mensajes asociados a eventos. Los mensajes periódicos incluyen información relativa a la ubicación geográfica, la velocidad y la aceleración, entre otros, y sólo son distribuidos entre los vehículos vecinos. A diferencia de estos beacons, los mensajes asociados a eventos sólo se generan cuando se produce un evento crítico de interés general, el cual se propaga dentro del área de interés de dicho evento y mientras éste siga activo. La fiabilidad del intercambio de información es uno de los principales problemas para las comunicaciones vehiculares, debido principalmente a que las aplicaciones de seguridad dependen directamente de la eficacia de estas transmisiones. Un protocolo de Control de Acceso al Medio (MAC) debe garantizar la difusión fiable de información a todos los vehículos vecinos dentro de unos límites máximos de retardo, proporcionándoles las notificaciones oportunas respecto a condiciones de conducción inseguras y otros eventos peligrosos. Por otra parte, las aplicaciones de información y entretenimiento, así como las aplicaciones orientadas al confort, también requieren transmisiones fiables extremoa-extremo. Sin embargo, la alta movilidad de los vehículos, la variabilidad de la topología, así como la falta de una unidad central de control, son factores que hacen que el diseño de un protocolo MAC fiable para entornos vehiculares sea una tarea especialmente compleja, especialmente cuando son necesarias estrategias de difusión eficientes. El protocolo MAC IEEE 802.11p, una modificación ya aprobada al estándar IEEE 802.11 original para entornos de comunicación vehiculares, es un protocolo de acceso que no es capaz de garantizar unos límites de retardo con la fiabilidad necesaria para estos entornos, especialmente en escenarios de alta utilización del canal inalámbrico. Este problema es particularmente importante a la hora de implementar aplicaciones de conducción (semi-)automática, como el caso de grupos de vehículos donde la separación entre vehículos se reduce drásticamente, y el sistema de control que gestiona y mantiene el grupo requiere de un intercambio frecuente de información fiable y acotado en retardo. En esta tesis se proponen nuevos protocolos MAC compatibles con los estándares IEEE 802.11 y 802.11p basados en el ajuste del tamaño de la ventana de contención para aplicaciones unicast en rede MANETs y VANETs. Los resultados experimentales obtenidos comparando nuestras propuestas con las soluciones existentes muestran que los protocolos propuestos son capaces de mejorar la tasa de entrega de paquetes y el retardo medio extremo-a-extremo para aplicaciones unicast. En lo que respecta a la difusión eficiente de mensajes broadcast en entornos VANET, se han propuesto soluciones MAC basadas en el uso de tokens que mejoran las prestaciones de aplicaciones de conducción segura basadas en el estándar 802.11p, tanto en autopistas, zonas urbanas, y escenarios con grupos de vehículos. Los resultados experimentales muestran que las soluciones propuestas superan claramente al protocolo 802.11p cuando es necesario entregar mensajes y notificaciones de eventos con restricc[CA] Recentment, els avan en les tecnologies sense fils i les millores en termes de capacitats de sensorització i computació dels dispositius electrònics, han donat lloc a una transició gradual cap a serveis i aplicacions dels sistemes intelligents de transport (ITS). Aquestes aplicacions tenen com a objectiu millorar la seguretat vial, proporcionar una navegació intelligent, i promoure la conducció ecoeficient. Les xarxes vehiculars ad hoc (VANET) proporcionen una infraestructura de comunicacions per a ITS, ja que equipen els cotxes amb sensors avançats i dispositius de comunicació que permeten l'intercanvi directe d'informació entre vehicles. Els diversos tipus d'aplicacions ITS es basen en dos classes de missatges: missatges periòdics coneguts com a beacons i missatges associats a esdeveniments. Els missatges periòdics inclouen informació relativa a la ubicació geogràfica, la velocitat i l'acceleració, entre uns altres, i només són distribuïts entre els vehicles veïns. A diferència d'aquests beacons, els missatges associats a esdeveniments només es generen quan es produeix un esdeveniment crític d'interès general, el qual es propaga dins de l àrea d'interès d'aquest esdeveniment i mentre aquest seguisca actiu. La fiabilitat de l'intercanvi d'informació és un dels principals problemes per a les comunicacions vehicular, principalment perquè les aplicacions de seguretat depenen directament de l'eficàcia d'aquestes transmissions. Un protocol de control d'accés al medi (MAC) ha de garantir la difusió fiable d'informació a tots els vehicles veïns dins d'uns límits màxims de retard, i proporcionar-los les notificacions oportunes respecte a condicions de conducció insegures i altres esdeveniments perillosos. D'altra banda, les aplicacions d'informació i entreteniment, com també les aplicacions orientades al confort, també requereixen transmissions fiables extrema-extrem. No obstant això, l'alta mobilitat dels vehicles, la variabilitat de la topologia, i la falta d'una unitat central de control, són factors que fan que el disseny d'un protocol MAC fiable per a entorns vehiculars siga una tasca especialment complexa, especialment quan són necessàries estratègies de difusió eficients. El protocol MAC IEEE 802.11p, una modificació ja aprovada a l'estàndard IEEE 802.11 original per a entorns de comunicació vehiculars, és un protocol d'accés que no és capa garantir uns límits de retard amb la fiabilitat necessària per a aquests entorns, especialment en escenaris d'alta utilització del canal sense fil. Aquest problema és particularment important a l'hora d'implementar aplicacions de conducció (semi)automàtica, com el cas de grups de vehicles en què la separació entre vehicles es redueix dràsticament, i el sistema de control que gestiona i manté el grup requereix un intercanvi freqüent d'informació fiable i delimitat en retard. En aquesta tesi es proposen nous protocols MAC compatibles amb els estàndards IEEE 802.11 i 802.11p basats en l'ajust de les dimensions de la finestra de contenció per a aplicacions unicast en xarxes MANET i VANET. Els resultats experimentals obtinguts comparant les nostres propostes amb les solucions existents mostren que els protocols proposats són capa de millorar la taxa de lliurament de paquets i el retard mitjà extrem-a-extrem per a aplicacions unicast. Pel que fa a la difusió eficient de missatges broadcast en entorns VANET, s'han proposat solucions MAC basades en l'ús de tokens que milloren les prestacions d'aplicacions de conducció segura basades en l'estàndard 802.11p, tant en autopistes, zones urbanes, i escenaris amb grups de vehicles. Els resultats experimentals mostren que les solucions proposades superen clarament el protocol 802.11p quan cal lliurar missatges i notificacions d'esdeveniments amb restriccions de latència.Balador, A. (2016). Design and Evaluation of Efficient Medium Access Control Solutions for Vehicular Environments [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/64073TESI

Reliable Message Dissemination in Mobile Vehicular Networks

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