Mobility Handling and Quality of Service Study of Optical Vehicular Communications
Etude de la mobilité et de la qualité de service des communications véhiculaires optiques
Résumé
The thesis topic is a part of the global interest in wireless vehicular networks. Over the past decade, the number of road accidents has increased quickly with the growth of the automotive sector. Statistics have demonstrated that the high number of accidents on the road is primarily due to the high traffic density and the lack of information about other drivers' decisions. Recent studies have shown the importance of vehicular communications, which allow the exchange of real-time traffic safety information between vehicles and thus contribute to accidents avoidance.Through vehicular communication, known as vehicle-to-everything (V2X), which includes vehicle-to-vehicle (V2V) and vehicle-to-infrastructure, vehicles can exchange road safety and traffic management messages with low latency. Platoon formation is considered an interactive option that can improve V2X communication and ensure more safety. The vehicle platoon is defined as a group of vehicles following each other, moving in a straight line with a very short inter-vehicle space. Several vehicle platoon formation strategies have been defined in order to manage the platoon's lifetime and stability. However, none of these strategies has taken into account traffic congestion and speed constraints.The first objective of our work is to propose a new platoon formation algorithm called speed platoon splitting (SPS) where vehicles are grouped according to their destination (the leading vehicle has the farthest destination and the latest vehicle has the nearest destination). The main purpose of SPS is to target alleviating congestion by using a ticket pool and classify platoons according to their velocity in two different lanes. Performance analysis shows that SPS provides platoon stability and reduces highway congestion.V2X communications can be achieved via radio frequency (RF) technologies, especially the 802.11p standard. However, due to the accelerated growth in the number of devices, this technology suffers from several problems such as high latency and channel congestion. An alternative communication solution is provided by visible light communication (VLC). VLC is the usage of visible light as a wireless data transmission technique. VLC reduces complexity and cost, enables high precision positioning and increases network scalability and security.The second objective of this thesis tackles the performance of VLC in V2V among the platoon members. For this purpose, we considered two mathematical models validated by simulations for two different scenarios (we have taken an M/M/1 and an M/GI/1 queues for the first and the second scenarios respectively). The performance evaluations present a detailed study of the VLC in the presence of disruptive vehicles and they are used to derive computations of the Quality of Service parameters. The main conclusion drawn is that VLC technology is considered an efficient technique but it is affected by disruptive vehicles.The third objective of the thesis focuses on proposing a mechanism for vertical handover (VHO) between VLC and RF technologies. This objective is composed of two parts, the first one is based on the threshold value to make a vertical handover decision or by using machine learning techniques. The second part is to choose the appropriate technology after VHO using the utility function or the cooperative game.Throughout the thesis, the performance evaluation of the VLC is based on mathematical modelling. Moreover, the simulation is performed to validate this mathematical modelling.
La dernière décennie a connu l’augmentation des accidents de la route et la circulation a augmenté rapidement avec la croissance du secteur automobile et la démocratisation des voitures. Les chercheurs ont démontré que le nombre élevé d'accidents sur la route est principalement dû à l'incapacité et à la lenteur des conducteurs à prendre la bonne décision. Les stratégies de formation des véhicules et les systèmes de communication entre véhicules sont considérés comme des solutions à ces problèmes.La communication entre véhicules, connue sous le nom de "vehicle-to-everything" (V2X), qui comprend les communications de véhicule à véhicule (V2V) et de véhicule à infrastructure (V2I), permet aux véhicules d'échanger des messages de sécurité routière et de gestion du trafic avec une faible latence. La formation de platoon est une option interactive qui peut améliorer la communication V2X et assurer une bonne sécurité. Le platoon de véhicules est défini comme un groupe de véhicules se suivant les uns les autres, se déplaçant en ligne droite avec un espace inter-véhicules très court. Plusieurs stratégies de formation de pelotons de véhicules ont été définies afin d’en gérer la durée de vie ainsi que la stabilité. Cependant, aucune de ces stratégies n'a pris en compte les contraintes de circulation et de vitesse.Notre travail de recherche comporte trois objectifs. Dans la première phase, nous avons proposé un nouvel algorithme de formation de peloton appelé Speed Platoon Splitting (SPS) où les véhicules sont regroupés en fonction de leur destination (le véhicule de tête a la destination la plus lointaine et le dernier véhicule a la destination la plus proche). SPS vise à réduire la congestion en utilisant un pool de tickets et classe les pelotons en fonction de leur vitesse sur deux voies différentes. L'analyse des performances montre que le SPS assure la stabilité des pelotons et réduit la circulation sur l'autoroute.Les communications V2X peuvent être réalisées via les technologies de radio fréquence (RF), en particulier la standard 802.11p. Cependant, en raison de la progression accélérée du nombre de dispositifs, cette technologie souffre de plusieurs problèmes tels que la latence élevée et la congestion des canaux. Une solution de communication alternative est fournie par la communication par lumière visible (VLC). Le VLC est une technique de transmission de données sans fil qui utilise la lumière visible. La VLC réduit la complexité et le coût, permet un positionnement de haute précision et augmente l'évolutivité et la sécurité du réseau.Le deuxième objectif de cette thèse se focalise sur les performances du VLC dans la communication V2V entre les membres du peloton. Nous avons considéré deux modèles mathématiques validés par des simulations pour deux scénarios différents (nous avons pris une file d'attente M/M/1 et une file d'attente M/GI/1 pour le premier et le second scénario respectivement).les résultats montrent une étude très détaillée de la performance du VLC en présence de véhicules perturbateurs où nous avons dérivé le paramètre de qualité de service (QoS). La technologie VLC est considérée comme une technique efficace pour les pelotons, qui sont affectés par des véhicules gênants.Le troisième objectif de la thèse se concentre sur la proposition d'un mécanisme de handover vertical entre les technologies VLC et RF. Cet objectif est composé de deux parties, la première est la décision de faire un handover vertical (VHO) en utilisant la valeur seuil ou la technique d'apprentissage automatique. La deuxième partie consiste à choisir la technologie appropriée après le VHO en utilisant la fonction d'utilité ou le jeu coopératif.Tout au long de la thèse, l'évaluation des performances du VLC est basée sur la modélisation mathématique. Par ailleurs, la simulation est réalisée pour valider cette modélisation mathématique.
Origine : Version validée par le jury (STAR)