Gestion de congestion et de sélection d’un réseau dans une architecture de communication hybride pour les C-ITS

Congestion mitigation and network selection management in a heterogeneous C-ITS communication architecture

• Auteur / Autrice : Mouna Karoui
• Direction : Gérard Chalhoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 29/04/2021
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Berbineau, Hasnaa Aniss, Mohamed Kassab, Antonio Freitas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjia Kara, Hacène Fouchal

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes de transport intelligent

Mots clés libres

C-ITS

ITS-G5,

LTE-V2X

Architecture hybride

Contrôle de congestion

C-ITS

ITS-G5

LTE-V2X

Heterogeneous network architecture

RAT selection

Congestion control

Résumé

Avec la croissance massive des usagers de la route (voitures, vélos, piétons, véhicules autonomes, transports publics, etc.), la gestion optimale du trafic routier devient l’une des préoccupations de l’industrie des transports. Certaines études et statistiques ont montré que la plupart des accidents de la route sont dus à une erreur humaine, et que 60% de ces accidents peuvent être évités si le conducteur est averti du danger au moins 0,5 seconde avant l’accident [1]. Ainsi, une bonne exploitation de la multimodalité permet à l’utilisateur d’avoir un trajet plus fluide et plus sécurisé grâce à l’interaction intelligente des différents moyens de transport. Cela motive l’industrie automobile et la communauté scientifique à travailler en collaboration pour la mise au point de solutions innovantes telles que les systèmes de transport intelligents coopératifs (C-ITS). Des techniques de communication efficaces sont nécessaires pour répondre aux exigences des différents services C-ITS. Afin de garantir une communication fiable et ininterrompue, des architectures hybrides sont essentielles pour répondre aux exigences de faible latence et de haute fiabilité. Ces dernières années, les architectures hybrides ont fait l’objet de nombreuses études montrant leurs avantages. Toutefois, les problématiques de mise en œuvre et les questions liées à l’efficacité des algorithmes de décision ne sont pas entièrement résolues. Répondre à ces questions représente l’un des principaux objectifs de cette thèse. Nous proposons DICART un mécanisme distribué visant à gérer la sélection d’un réseau offrant les meilleures performances selon le profil de l’utilisateur. En premier lieu, ce mécanisme commence par une étape de collecte de données tenant en compte de la fraîcheur des informations constituant les critères impliqués dans le processus de décision. En second lieu, nous avons défini une étape pour extraire les poids subjectifs des différents critères utilisés dans le processus de prise de décision en considérant quelques services C-ITS. La technique de préférence d’ordre par similarité à une solution idéale (TOPSIS) a ensuite été adoptée pour le classement des interfaces radio disponibles. L’interface radio qui a le meilleur rang sera choisi pour la transmission en cours. L’efficacité de DICART est évaluée à l’aide d’un simulateur réseau qui implémente la pile protocolaire de chacun des deux standards : IEEE 802.11p et LTE-V2X (mode 4). Des services de sécurité routière et de gestion du trafic (par exemple, la prévention coopérative des collisions (CCA), les usagers vulnérables de la route (VRU), etc.) ont également été pris en compte dans ce processus d’évaluation. Dans le cadre du projet C-ROADS, nous avons également étudié les performances de la technologie ITS-G5 en nous concentrant sur le service de gestion du trafic routier, GLOSA. Après une série d’études qualitatives sur les performances, nous avons constaté que l’ITS-G5 montre rapidement ses limites, en particulier dans un scénario de forte densité de trafic. Pour optimiser les performances de la technologie ITS-G5, nous avons proposé un mécanisme de contrôle de congestion, à savoir DRC/ATCL, qui vise à améliorer la diffusion des données dans les scénarios à forte charge.

With the massive growth of road users (e.g. cars, bicycles, autonomous vehicles and pedestrians,..), optimal mobility management is becoming a crucial concern for indus- trial and academic stakeholders. Some studies and statistics have also shown that most road accidents are due to human error, and 60% of these accidents can be avoided if the driver is warned of the danger at least 0.5 second before the accident [1]. Auto- motive industry and academia cooperatively work to develop innovative solutions such as Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS) to improve traffic management and road safety.Efficient communication techniques are needed to answer C-ITS service require- ments. Heterogeneous architectures appear to be a promising solution for ensuring seamless network communication, reducing overhead and meeting low latency require- ments.In recent years, heterogeneous architectures have been the subject of numerous studies showing their advantages. Many research projects were conducted to show its ability to provide reliable connectivity. However, implementation challenges and ques- tions related to decision-maker architectures and algorithms’ efficiency are still open issues. Answering questions related to the before-mentioned issues represent one of the main goals of this thesis. In the present thesis, we propose a Radio Access Tech- nology (RAT) selection framework, namely, DIstributed Context-Aware Radio access Technology (DICART). Within this framework, a set of steps is followed to formulate the decision-making process. Furthermore, weighting technique to derive subjective weights of network criteria depending on C-ITS services requirements are also formu- lated. The Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution (TOPSIS) was then adopted to rank available RATs. As opposed to most related work proposals that have only been formally implemented and evaluated, the effectiveness and effi- ciency of DICART are evaluated using a full-stack network simulator considering two typical vehicular networks RAT: IEEE 802.11p and LTE-V2X. Cooperative awareness and traffic efficiency services (e.g. Cooperative Collision Avoidance (CCA), Vulnerable Road Users (VRU),..) were also considered within this evaluation process.We also investigated ITS-G5 network performance under the C-ROADS European project, pointing out a particular traffic efficiency service, namely Green Light Optimal Speed Advisory (GLOSA). After a set of comprehensive and qualitative studies, we observed that ITS-G5 rapidly shows its limitations, especially in high traffic load. To improve the performance of the ITS-G5 technology, we have proposed a congestion control mechanism, namely DRC/ATCL, which aims to improve data dissemination in high traffic load scenarios.