Design and optimization of access control protocols in Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs)

par Mohamed Hadded

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Mohamed Anis Laouiti.

Soutenue le 30-11-2016

à Evry, Institut national des télécommunications en cotutelle avec École Nationale des Sciences de l'Informatique (Tunis) , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris) (1971-2017) (Université) , Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) et de Département Réseaux et Services Multimédia Mobiles / RS2M (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conception et optimisation de protocoles de contrôle d’accès pour les réseaux véhiculaires VANETs


  • Résumé

    Les accidents routiers et leurs dommages représentent un problème croissant dans le monde entier. Dans ce contexte, les réseaux véhiculaires (VANETs) peuvent être déployés pour réduire les risques et pour améliorer le confort. Ils permettent aux véhicules d'échanger différents types de données qui vont des applications de sécurité et de gestion du trafic aux applications de confort. De nos jours, les applications de sécurité sont l’objet de beaucoup d'attention des chercheurs ainsi que des fabricants d'automobiles. Dans cette thèse, nous étudierons les applications critiques pour la sécurité routière visant à fournir une assistance dans des situations dangereuses ou difficiles. Notre objectif principal sera de proposer de nouveaux protocoles de contrôle d'accès au support de transmission (MAC) et de routage, qui peuvent s’adapter dynamiquement aux changements fréquents de topologies des VANETs. Après un aperçu des protocoles d’accès sans contention dans les VANETs, nous proposons des solutions basées sur la technique de division du temps: Time Division Multiple Access (TDMA). D’abord, nous nous concentrons sur le développement d’un nouveau protocole distribué (DTMAC), qui ne repose pas sur l’utilisation d’infrastructure. DTMAC utilise les informations de localisation et un mécanisme de réutilisation des slots pour assurer que les véhicules accèdent au canal efficacement et sans collision. Les résultats obtenus ont confirmé l’efficacité de notre protocole, DTMAC se comporte très significativement mieux que VeMAC (protocole MAC basé sur TDMA.) Ensuite nous proposons TRPM, un protocole de routage basé sur une approche cross-layer. Dans TRPM, l’ordonnancement des slots TDMA construit par DTMAC et la position de la destination sont utilisés pour choisir le meilleur relais. Les résultats montrent que TRPM offre de meilleures performances, du nombre moyen de relais et de la fiabilité de livraison des messages comparé à d’autres protocoles. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous nous focaliserons sur les mécanismes centralisés d’allocation de slots qui utilisent des coordinateurs. D’abord, nous proposons CTMAC, un protocole basé sur TDMA centralisé utilisant les RSUs (RoadSide Units) pour créer et maintenir les ordonnancements. CTMAC met en œuvre un mécanisme qui permet d’empêcher les “Access Collisions” de se produire plus que deux fois entre les véhicules qui tentent d’acquérir un même slot disponible. Les résultats ont montré que CTMAC permet de mieux minimiser les collisions, ainsi que le surcoût généré pour créer et maintenir les ordonnancements par rapport aux protocoles MAC, basés sur TDMA distribué. Cependant, dans CTMAC, les véhicules roulant vite devront acquérir des nouveaux slots après une courte période de temps à chaque fois qu’ils quittent les zones de leurs RSUs courants. Cette situation rend les protocoles centralisés inefficaces et couteux dans les réseaux à grande vitesse. Afin de pallier à ce problème inhérent à l’utilisation des RSUs, nous adaptons un algorithme d’ordonnancement basé sur le clustering dans lequel certains véhicules sont élus pour gérer l'accès au canal. Ceci permet aux véhicules de rester attachés à leurs clusters plus longtemps. Pour ce faire, nous proposons 1- un protocole de clustering nommé AWCP afin de former des clusters stables avec une longue durée de vie. AWCP est basé sur l’algorithme de clustering pour les réseaux mobiles WCA dans lequel les têtes des clusters sont élues en se basant sur une fonction de poids. 2- Nous formulons le réglage des paramètres de protocole AWCP comme un problème d’optimisation multi-objective et nous proposons un outil d’optimisation qui combine la version multi-objective de l’algorithme génétique appelé NSGA-II avec le simulateur de réseau ns-2 pour trouver les meilleurs paramètres du protocole AWCP. 3- Nous proposons ASAS, une stratégie adaptative pour l’attribution des slots temporels basée sur une approche cross-layer entre TDMA et AWCP


  • Résumé

    Road crashes and their damages represent a serious issue and are one of the main causes of people death. In this context, Vehicular Ad hoc NETworks (VANETs) are deployed to reduce the risk of road accident as well as to improve passengers’ comfort by allowing vehicles to exchange different kinds of data which ranges widely from road safety and traffic management to infotainment. Nowadays, safety applications are receiving a great deal of attention from researchers as well as from automobile manufacturers. In this thesis, we particularly focus on safety-critical applications, designed to provide drivers assistance in dangerous situations and to avoid accidents in highway environments. Such applications must guarantee to the vehicles access to the medium and have strict requirements regarding end-to-end delay and packet loss ratio. Therefore, our main goal is to propose new medium access control and routing protocols, which can efficiently adapt to frequent changing VANET network topologies. After a comprehensive overview of free-contention MAC protocols, we propose several solutions, based on Time Division Multiple Access Technique (TDMA). We have designed DTMAC, a fully distributed TDMA-based MAC protocol, which does not rely on an expensive infrastructure. DTMAC uses vehicles’ locations and a slot reuse concept to ensure that vehicles in adjacent areas have collision-free schedule. Using simulations, we prove that DTMAC provides a lower rate of access and merging collisions than VeMAC, a well-known TDMA based MAC protocol in VANET. Then, in order to ensure that event-driven safety messages can be sent over a long distance, we propose TRPM, a TDMA aware Routing Protocol for Multi-hop communication. Our routing scheme is based on a cross layer approach between the MAC and the routing layers, in which the intermediate vehicles are selected using TDMA scheduling information. Simulation results show that TRPM provides better performances in terms of average end-to-end delay, average number of hops and average delivery ratio. In the second part, we focus on coordinator-based TDMA scheduling mechanisms. First, we propose the Centralized TDMA based MAC protocol (CTMAC) which uses Road Side Units (RSUs) as a central coordinator to create and maintain the TDMA schedules. CTMAC implements an Access Collision Avoidance mechanism that can prevent the access collision problem occurring more than twice between the same vehicles that are trying to access the channel at the same time. Using simulation we show an improvement in terms of access and merging collisions as well as the overhead required to create and maintain the TDMA schedules compared to distributed scheduling mechanisms. However, in the CTMAC protocol, fast moving vehicles will need to compete for new slots after a short period of time when they leave their current RSU area, which makes a centralized scheduling approach very expensive. In order to further improve the performance of coordinator-based TDMA scheduling mechanisms, we focus on cluster-based TDMA MAC protocols in which some vehicles in the network are elected to coordinate the channel access, allowing the vehicles to remain connected with their channel coordinator for a longer period of time. To this end, first we propose an adaptive weighted clustering protocol, named AWCP, which is road map dependent and uses road IDs and vehicle directions to make the clusters’ structure as stable as possible. Then, we formulate the AWCP parameter tuning as a multi-objective problem and we propose an optimization tool to find the optimal parameters of AWCP to ensure its QoS. Next, we propose ASAS, an adaptive slot assignment strategy for a cluster-based TDMA MAC protocol. This strategy is based on a cross layer approach involving TDMA and AWCP. The objective is to overcome the inter-cluster interference issue in overlapping areas by taking into account vehicles’ locations and directions when the cluster head assign slots


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