Efficient medium access control protocol for vehicular ad-hoc networks

Intelligent transportation systems (ITS) have enjoyed a tremendous growth in the last decade and the advancement in communication technologies has played a big role behind the success of ITS. Inter-vehicle communication (IVC) is a critical requirement for ITS and due to the nature of communication, vehicular ad-hoc network technology (VANET) is the most suitable communication technology for inter-vehicle communications. In Practice, however, VANET poses some extreme challenges including dropping out of connections as the moving vehicle moves out of the coverage range, joining of new nodes moving at high speeds, dynamic change in topology and connectivity, time variability of signal strength, throughput and time delay. One of the most challenging issues facing vehicular networks lies in the design of efficient resource management schemes, due to the mobile nature of nodes, delay constraints for safety applications and interference. The main application of VANET in ITS lies in the exchange of safety messages between nodes. Moreover, as the wireless access in vehicular environment (WAVE) moves closer to reality, management of these networks is of increasing concern for ITS designers and other stakeholder groups. As such, management of resources plays a significant role in VANET and ITS. For resource management in VANET, a medium access control protocol is used, which makes sure that limited resources are distributed efficiently. In this thesis, an efficient Multichannel Cognitive MAC (MCM) is developed, which assesses the quality of channel prior to transmission. MCM employs dynamic channel allocation and negotiation algorithms to achieve a significant improvement in channel utilisation, system reliability, and delay constraints while simultaneously addressing Quality of Service. Moreover, modified access priority parameters and safety message acknowledgments will be used to improve the reliability of safety messages. The proposed protocols are implemented using network simulation tools. Extensive experiments demonstrated a faster and more efficient reception of safety messages compared to existing VANET technologies. Finally, improvements in delay and packet delivery ratios are presented

Controlo de acesso ao meio em comunicações veiculares de tempo-real

Despite several preventive measures, the number of roadway accidents is still very high, being considered even a problem of public health by some entities. This thesis has as global purpose of contributing to the reduction of that number of accidents, and consequent fatalities, by using safety-related applications that use communication among vehicles. In particular, the primary goal is guaranteeing that communication between users in vehicular environments is done with appropriate time bounds to transfer safety-critical information. In detail, it is studied how to manage the scheduling of message’s transmissions (medium access control - MAC), in order to define precisely who will communicate and when is the appropriate instant. The preferable situation where a communication infrastructure is present with full coverage (RSUs) is also studied, from which medium access control is defined precisely, and vehicles (OBUs) become aware of medium utilization. Also, sporadic situations (e.g., absence of RSUs) are studied in which the communication network is “ad hoc” and solely formed by the current vehicles. It is used the recently WAVE / IEEE 802.11p standard, specific for vehicular communications, and it is proposed a TDMA based solution, with appropriate coordination between RSUs in order to effectively disseminate a critical safety event. It is taken into account two different ways of choosing the instant for the initial broadcast, and both cases are compared. In case there is no infrastructure available, methods are derived to minimize communication medium access collisions, and to maximize the available bandwidth. The results reflect the total end-to-end delay, and show that adequate times are attained, and meet with the requisites for the type of applications being considered. Also, enhancements are obtained when using the alternate choice for the initial broadcast instant.Apesar de diversas medidas preventivas, o número de acidentes rodoviários continua a ser muito elevado, sendo mesmo considerado uma questão de saúde pública por algumas entidades. Esta tese tem como objetivo geral contribuir para a redução desse número de acidentes, e consequentes fatalidades, através da utilização de aplicações de segurança que envolvem comunicação entre veículos. Em particular, o objetivo principal é garantir que a comunicação entre utentes, em ambientes veiculares, seja efetuada com limites temporais apropriados à transferência de informações críticas. De forma mais detalhada, é estudada a gestão do escalonamento das transmissões (controlo de acesso ao meio – MAC) que irá definir quem vai comunicar e quando o pode fazer. São estudadas situações (desejadas) onde há uma infra-estrutura de comunicações com cobertura integral (RSUs), a partir da qual se faz a coordenação do acesso ao meio pelos veículos (OBUs), e situações (esporádicas, por ausência de RSU) em que a rede de comunicação é “ad hoc” e apenas constituída pelos veículos presentes. Utiliza-se a recente norma WAVE / IEEE 802.11p, específica para comunicações veiculares, e propõe-se uma solução baseada em TDMA, com coordenação apropriada entre RSUs para disseminação efetiva de um evento crítico de segurança. A escolha do instante para o broadcast inicial do evento de segurança também é tida em conta, e são comparados dois casos distintos. No caso da ausência de infraestrutura, derivam-se métodos para minimizar colisões no acesso ao meio de comunicação, e maximizar a largura de banda disponível. Os resultados refletem o atraso total end-to-end, mostrando tempos apropriados para os requisitos das aplicações em causa, e evidenciando melhorias aquando da escolha alternativa para o instante do broadcast inicial.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic

Opportunistic Spectrum Utilization for Vehicular Communication Networks

Recently, vehicular networks (VANETs), has become the key technology of the next-generation intelligent transportation systems (ITS). By incorporating wireless communication and networking capabilities into automobiles, information can be efficiently and reliably disseminated among vehicles, road side units, and infrastructure, which enables a number of novel applications enhancing the road safety and providing the drivers/passengers with an information-rich environment. With the development of mobile Internet, people want to enjoy the Internet access in vehicles just as anywhere else. This fact, along with the soaring number of connected vehicles and the emerging data-craving applications and services, has led to a problem of spectrum scarcity, as the current spectrum bands for VANETs are difficult to accommodate the increasing mobile data demands. In this thesis, we aim to solve this problem by utilizing extra spectrum bands, which are not originally allocated for vehicular communications. In this case, the spectrum usage is based on an opportunistic manner, where the spectrum is not available if the primary system is active, or the vehicle is outside the service coverage due to the high mobility. We will analyze the features of such opportunistic spectrum, and design efficient protocols to utilize the spectrum for VANETs. Firstly, the application of cognitive radio technologies in VANETs, termed CR-VANETs, is proposed and analyzed. In CR-VANETs, the channel availability is severely affected by the street patterns and the mobility features of vehicles. Therefore, we theoretically analyze the channel availability in urban scenario, and obtain its statistics. Based on the knowledge of channel availability, an efficient channel access scheme for CR-VANETs is then designed and evaluated. Secondly, using WiFi to deliver mobile data, named WiFi offloading, is employed to deliver the mobile data on the road, in order to relieve the burden of the cellular networks, and provide vehicular users with a cost-effective data pipe. Using queueing theory, we analyze the offloading performance with respect to the vehicle mobility model and the users' QoS preferences. Thirdly, we employ device-to-device (D2D) communications in VANETs to further improve the spectrum efficiency. In a vehicular D2D (V-D2D) underlaying cellular network, proximate vehicles can directly communicate with each other with a relatively small transmit power, rather than traversing the base station. Therefore, many current transmissions can co-exist on one spectrum resource block. By utilizing the spatial diversity, the spectrum utilization is greatly enhanced. We study the performance of the V-D2D underlaying cellular network, considering the vehicle mobility and the street pattern. We also investigate the impact of the preference of D2D/cellular mode on the interference and network throughput, and obtain the theoretical results. In summary, the analysis and schemes developed in this thesis are useful to understand the future VANETs with heterogeneous access technologies, and provide important guidelines for designing and deploying such networks

Comunicações sem fios confiáveis para aplicações veiculares

Doutoramento em Engenharia ElectrotécnicaIn the last decades the number of vehicles travelling in European road has raised significantly. Unfortunately, this brought a very high number of road accidents and consequently various injuries and fatalities. Even after the introduction of passive safety systems, such as seat belts, airbags, and some active safety systems, such as electronic brake system (ABS) and electronic stabilization (ESP), the number of accidents is still too high. Approximately eight per cent of the fatal accidents occur in motorways, in the Portuguese case, the number of fatalities has remained constant in the first decade of the 21st century. The evolution of wireless communications, along with the north-American and European policies that reserve spectrum near the 5,9GHz band for safety applications in the vehicular environment, has lead to the development of several standards. Many of these applications are based on the possibility of using a wireless communication system to warn drivers and passengers of events occurring on the road that can put at risk their own safety. Some examples of safety applications are the hard-brake warning, the wrong-way warning and the accident warning. This work aims to contribute in defining a communication protocol that guarantees the timely dissemination of safety critical events, occurring in scenarios with a high number of vehicles or in the neighbourhood of so called motorway “blackspots”, to all vehicles in the zone of interest. To ensure information integrity and user trust, the proposed system is based on the motorway infrastructure, which will validate all events reported by the vehicles with the usage of several means, such as video surveillance or other sensors. The usage of motorway infrastructure that has full motorway coverage using fixed stations also known as road side units, allows to have a global vision of the interest zone, avoiding the problems associated to networks that depend solely on vehicle to vehicle communication, generally total ad-hoc networks. By using the infrastructure, it is possible to control medium access, avoiding possible badly intended intrusions and also avoiding the phenomenon known as alarm showers or broadcast storm that occur when all vehicles want to simultaneously access the medium to warn others of a safety event. The thesis presented in this document is that it is possible to guarantee in time information about safety events, using an architecture where the road side units are coordinated among themselves, and communicate with on board units (in vehicles) that dynamically register and deregister from the system. An exhaustive and systematic state of the art of safety applications and related research projects is done, followed by a study on the available wireless communications standards that are able to support them. The set of standards IEEE802.11p and ETSI-G5 was created for this purpose and is found to be the more adequate, but care is taken to define a scenario where WAVE enabled and non-enabled vehicles can coexist. The WAVE medium access control protocol suffers from collision problems that do not guarantee a bounded delay, therefore a new protocol (V-FTT) is proposed, based on the adaptation of the Flexible Time Triggered protocol to the vehicular field. A theoretical analysis of the V-FTT applied to WAVE and ETSI-G5 is done, including quantifying a real scenario based on the A5 motorway from Lisbon to Cascais, one of the busiest Portuguese motorways. We conclude the V-FTT protocol is feasible and guarantees a bounded delay.Nas últimas décadas tem-se assistido a um aumento do número de veículos a circular nas vias rodoviárias europeias, trazendo consigo um elevado número de acidentes e como consequência muitos feridos e vítimas mortais. Apesar da introdução de sistemas de segurança passivos, tais como cintos de segurança, airbags e de alguns sistemas de segurança activos, tais como o sistema electrónico de travagem (ABS) e o sistema electrónico de estabilidade (ESP), o número de acidentes continua a ser demasiado elevado. Aproximadamente oito por cento dos acidentes fatais na Europa ocorrem em auto-estradas, no caso Português, o número de vítimas mortais tem-se mantido constante ao longo da primeira década do século XXI. A evolução das comunicações sem fios, acompanhada de políticas europeias e norte-americanas no sentido de reservar frequências próximas dos 5,9GHz para aplicações de segurança no ambiente veicular, levou à especificação de várias normas. A maior parte destas aplicações baseiam-se na possibilidade de usar um sistema confiável de comunicação sem fios para alertar os condutores e passageiros de veículos para eventos ocorridos nas estradas que possam colocar em risco a sua segurança. Exemplos de aplicações de segurança crítica são o aviso de travagem brusca, o aviso de veículo em contra mão e o aviso de acidente na estrada. Este trabalho contribui para a definição de protocolos de comunicação capazes de garantir que a informação sobre eventos relacionados com situações de segurança crítica, que ocorram em cenários com um elevado número de veículos em zonas urbanas ou na vizinhança dos chamados “pontos negros” das auto-estradas, é disseminada com pontualidade por todos os veículos localizados na zona de interesse Por uma questão da integridade das comunicações e confiança dos condutores, o sistema proposto baseia-se na infra-estrutura do concessionário da auto-estrada, que validará os eventos reportados pelos veículos usando vários meios à sua disposição, como por exemplo sistemas de videovigilância e outros sensores. O uso de uma infra-estrutura de comunicações, que dispõe de cobertura integral a partir de estações fixas, permite uma visão global da zona coberta, evitando os problemas associados a redes baseadas apenas na comunicação entre veículos, que são em geral totalmente ad-hoc. O uso da infra-estrutura permite, entre outras vantagens, controlar o acesso ao meio, evitando simultaneamente intrusões de estranhos ao sistema e o fenómeno conhecido como “chuva de alarmes” desencadeado quando todos os veículos querem aceder simultaneamente ao meio para avisar os restantes da existência dum evento de segurança crítica. A tese apresentada neste documento defende que é possível garantir informação atempada sobre eventos que põem em risco a segurança dos veículos a partir de uma arquitectura de interligação entre as estações de comunicações fixas, coordenadas entre si, e unidades móveis (veículos) que se registam e se desligam dinamicamente do sistema. Nesta tese faz-se um levantamento exaustivo e sistemático das aplicações de segurança abordando projectos de investigação relacionados, estudam-se as tecnologias de comunicação sem fios disponíveis e a sua possibilidade de suportar aplicações de segurança rodoviária. Desta análise, conclui-se que a norma norte americana WAVE/IEEE802.11p e a europeia ETSI-G5, criadas especificamente para o efeito são as que mais se adequam à finalidade desejada. Considera-se que o cenário de utilização é evolutivo, podendo coexistirem veículos que não dispõem de sistemas de comunicação com outros que suportam a norma WAVE. Dado que o protocolo de acesso ao meio proposto pela norma WAVE não garante um acesso determinístico ao meio partilhado, propõe-se um novo protocolo, o Vehicular Flexible Time-Triggered protocol (VFTT). Faz-se a análise teórica da viabilidade do protocolo proposto para a norma WAVE e respectiva norma europeia (ETSI-G5). Quantifica-se o protocolo VFTT para um cenário real: a auto-estrada A5 Lisboa-Cascais, uma das autoestradas portuguesas mais movimentadas. Conclui-se que o protocolo é viável e garante um atraso restringido temporalmente

Improving Vehicular ad hoc Network Protocols to Support Safety Applications in Realistic Scenarios

La convergencia de las telecomunicaciones, la informática, la tecnología inalámbrica y los sistemas de transporte, va a facilitar que nuestras carreteras y autopistas nos sirvan tanto como plataforma de transporte, como de comunicaciones. Estos cambios van a revolucionar completamente cómo y cuándo vamos a acceder a determinados servicios, comunicarnos, viajar, entretenernos, y navegar, en un futuro muy cercano. Las redes vehiculares ad hoc (vehicular ad hoc networks VANETs) son redes de comunicación inalámbricas que no requieren de ningún tipo de infraestructura, y que permiten la comunicación y conducción cooperativa entre los vehículos en la carretera. Los vehículos actúan como nodos de comunicación y transmisores, formando redes dinámicas junto a otros vehículos cercanos en entornos urbanos y autopistas. Las características especiales de las redes vehiculares favorecen el desarrollo de servicios y aplicaciones atractivas y desafiantes. En esta tesis nos centramos en las aplicaciones relacionadas con la seguridad. Específicamente, desarrollamos y evaluamos un novedoso protocol que mejora la seguridad en las carreteras. Nuestra propuesta combina el uso de información de la localización de los vehículos y las características del mapa del escenario, para mejorar la diseminación de los mensajes de alerta. En las aplicaciones de seguridad para redes vehiculares, nuestra propuesta permite reducir el problema de las tormentas de difusión, mientras que se mantiene una alta efectividad en la diseminación de los mensajes hacia los vehículos cercanos. Debido a que desplegar y evaluar redes VANET supone un gran coste y una tarea dura, la metodología basada en la simulación se muestra como una metodología alternativa a la implementación real. A diferencia de otros trabajos previos, con el fin de evaluar nuestra propuesta en un entorno realista, en nuestras simulaciones tenemos muy en cuenta tanto la movilidad de los vehículos, como la transmisión de radio en entornos urbanos, especialmente cuando los edificios interfieren en la propagación de la señal de radio. Con este propósito, desarrollamos herramientas para la simulación de VANETs más precisas y realistas, mejorando tanto la modelización de la propagación de radio, como la movilidad de los vehículos, obteniendo una solución que permite integrar mapas reales en el entorno de simulación. Finalmente, evaluamos las prestaciones de nuestro protocolo propuesto haciendo uso de nuestra plataforma de simulación mejorada, evidenciando la importancia del uso de un entorno de simulación adecuado para conseguir resultados más realistas y poder obtener conclusiones más significativas.Martínez Domínguez, FJ. (2010). Improving Vehicular ad hoc Network Protocols to Support Safety Applications in Realistic Scenarios [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/9195Palanci

Roteamento de tráfego veicular colaborativo e sem infraestrutura para sistemas de transportes inteligentes

Orientadores: Leandro Aparecido Villas, Edmundo Roberto Mauro MadeiraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de ComputaçãoResumo: Devido à atual tendência mundial de urbanização, a sociedade moderna enfrenta, cada vez mais, sérios problemas de mobilidade urbana. Além disso, com o aumento constante do fluxo de tráfego veicular, as atuais soluções existentes para gerenciamento de tráfego se tornaram ineficientes. Com isso, para atender às crescentes necessidades dos sistemas de transporte, é necessário sistemas de transporte inteligentes (ITS). O desenvolvimento de ITS sustentável requer integração e interoperabilidade contínuas com tecnologias emergentes, tais como as redes veiculares (VANETs). As VANETs são consideradas uma tecnologia promissora que provê aplicações críticas de segurança e serviços de entretenimento, consequentemente melhorando a experiência de viagem do motorista e dos passageiros. Esta tese propõe um sistema de gerenciamento de tráfego de veículos sem a necessidade de uma infraestrutura de apoio. Para alcançar o sistema desejado foram necessários propor soluções intermediárias que contribuíram nesta tese. A primeira contribuição reside em uma solução que emprega conhecimento histórico dos padrões de mobilidade dos motoristas para obter uma visão global da situação da rede viária. Diferentemente de outras abordagens que precisam de troca constante de informações entre os veículos e o servidor central, nossa solução utiliza informações espaciais e temporais sobre padrões de mobilidade, além das informações específicas da infraestrutura viária, a fim de identificar congestionamentos no tráfego, permitindo, assim, o planejamento de roteamento de veículos. Como segunda contribuição, foi proposta uma solução distribuída para calcular a intermediação egocêntrica nas VANETs. Por meio da métrica egocêntrica foi proposto um mecanismo inovador de ranqueamento de veículos em redes altamente dinâmicas. As principais vantagens desse mecanismo para aplicações de VANETs são: (i) a redução do consumo de largura de banda e (ii) a superação do problema de topologias altamente dinâmicas. A terceira contribuição é uma solução de planejamento de rotas colaborativo com intuito de melhorar o gerenciamento do tráfego de veículos em cenários urbanos. Como última contribuição, esta tese integra as soluções descritas acima, propondo um sistema eficiente de gerenciamento de tráfego de veículos. As soluções propostas foram amplamente comparadas com outras soluções da literatura em diferentes métricas de avaliação de desempenho. Os resultados mostram que o sistema de gerenciamento de tráfego de veículos proposto é eficiente e escalável, qual pode ser uma boa alternativa para mitigar os problemas de mobilidade urbanaAbstract: Due to the current global trend of urbanization, modern society is facing severe urban mobility problems. In addition, considering the constant increase in vehicular traffic on roads, existing traffic management solutions have become inefficient. In order to assist the increasing needs of transport systems today, there is a need for intelligent transportation systems (ITS). Developing a sustainable ITS requires seamless integration and interoperability with emerging technologies such as vehicular ad-hoc networks (VANETs). VANETs are considered to be a promising technology providing access to critical life-safety applications and infotainment services, consequently improving drivers¿ and passengers¿ on-road experiences. This thesis proposes an infrastructure-less vehicular traffic management system. To achieve such a system, intermediate solutions that contributed to this thesis were proposed. The first contribution lies in a solution that employs historical knowledge of driver mobility patterns to gain an overall view of the road network situation. Unlike other approaches that need constant information exchange between vehicles and the central server, our solution uses space and temporal information about mobility patterns, as well as road infrastructure information, in order to identify traffic congestion, thus allowing for vehicle routing planning. Secondly, a distributed solution to calculate egocentric betweenness in VANETs was proposed. Through the egocentric metric, an innovative vehicle ranking mechanism in highly dynamic networks was proposed. The main advantages of this mechanism for VANETs applications are (i) reduced bandwidth consumption and (ii) overcoming the problem of highly dynamic topologies. The third contribution is a collaborative route planning solution designed to improve vehicle traffic management in urban settings. As the last contribution, this thesis integrates the solutions described above, proposing an efficient vehicle traffic management system. The proposed solutions were widely compared with other literature solutions on different performance evaluation metrics. The evaluation results show that the proposed vehicle traffic management system is efficient, scalable, and cost-effective, which may be a good alternative to mitigate urban mobility problemsDoutoradoCiência da ComputaçãoDoutor em Ciência da Computação2015/25588-6FAPES

Characterization, Avoidance and Repair of Packet Collisions in Inter-Vehicle Communication Networks

This work proposes a combined and accurate simulation of wireless channel, physical layer and networking aspects in order to bridge the gaps between the corresponding research communities. The resulting high fidelity simulations enable performance optimizations across multiple layers, and are used in the second part of this thesis to evaluate the impact of fast-fading channel characteristics on Carrier-Sense Multiple Access, and to quantify the benefit of successive interference cancellation

Mobile Ad Hoc Networks

Guiding readers through the basics of these rapidly emerging networks to more advanced concepts and future expectations, Mobile Ad hoc Networks: Current Status and Future Trends identifies and examines the most pressing research issues in Mobile Ad hoc Networks (MANETs). Containing the contributions of leading researchers, industry professionals, and academics, this forward-looking reference provides an authoritative perspective of the state of the art in MANETs. The book includes surveys of recent publications that investigate key areas of interest such as limited resources and the mobility of mobile nodes. It considers routing, multicast, energy, security, channel assignment, and ensuring quality of service. Also suitable as a text for graduate students, the book is organized into three sections: Fundamentals of MANET Modeling and Simulation—Describes how MANETs operate and perform through simulations and models Communication Protocols of MANETs—Presents cutting-edge research on key issues, including MAC layer issues and routing in high mobility Future Networks Inspired By MANETs—Tackles open research issues and emerging trends Illustrating the role MANETs are likely to play in future networks, this book supplies the foundation and insight you will need to make your own contributions to the field. It includes coverage of routing protocols, modeling and simulations tools, intelligent optimization techniques to multicriteria routing, security issues in FHAMIPv6, connecting moving smart objects to the Internet, underwater sensor networks, wireless mesh network architecture and protocols, adaptive routing provision using Bayesian inference, and adaptive flow control in transport layer using genetic algorithms