Protocoles de routage opportunistes et avec qualité de service pour les réseaux véhiculaires VANETs

Adaptive and Opportunistic QoS-based Routing Protocol in VANETs

• Auteur / Autrice : Guang Yu Li
• Direction : Lila Boukhatem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 21/07/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Informatique de Paris-Sud
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Jury : Président / Présidente : Véronique Vèque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lila Boukhatem, Véronique Vèque, Mohamed Yacine Ghamri Doudane, Paul Mühlethaler 19..-...., Steven Martin, Guy Pujolle, Jinsong Wu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed Yacine Ghamri Doudane, Paul Mühlethaler 19..-....

Mots clés

Mots clés contrôlés

Routage (informatique)

Qualité de Service (télécommunications)

Réseaux ad hoc de véhicules

Mots clés libres

QoS

ACO

Routage

VANET

Scénarios Urbains

Performance

QoS

ACO

Routing

VANETs

Urban Scenarios

Performance

Résumé

Les réseaux véhicules (VANET) permettent d’offrir des solutions efficaces et rentables pour diverses applications telles que celles liées à : la sécurité routière, la gestion du trafic routier et les applications multimédia en utilisant les communications sans fil multi-sauts entre les véhicules communicants. Cependant, la mise en place et le maintien de liens multi-sauts fiables dans les environnements VANET posent de réels défis principalement à cause des changements rapides de topologie et des déconnexions fréquentes des liens, ce qui conduit à l'échec et l'inefficacité des protocoles de routage ad hoc traditionnels. Cette thèse propose une nouvelle famille de protocoles de routage (nommés AQRV, AQRV-1 et AQRV-2) adaptés aux caractéristiques intrinsèques des réseaux VANET. Basés sur l’estimation de la qualité de service en temps réel des segments de route (à savoir la probabilité de connectivité, le taux de perte de paquets et le délai), ces trois protocoles de routage reposent sur la sélection dynamique aux intersections du meilleur prochain segment de route pour un routage de bout-en-bout affichant la meilleure QoS (Quality of Service). Cette propriété de sélection opportuniste confère aux protocoles AQRV une bonne adaptation aux scénarios urbains à grande échelle tout en répondant aux contraintes QoS d'un grand nombre d'applications. Afin d'explorer la meilleure route en termes de QoS, la question du routage est vue comme un problème d'optimisation pour lequel un algorithme basé sur l’approche de colonie de fourmis ACO (Ant Colony Optimization) est employé. Par ailleurs, afin de réduire le temps d’exploration des routes et diminuer la charge du trafic de signalisation sur le réseau, une méthode opportuniste est proposée pour explorer efficacement le réseau et rechercher les meilleurs chemins disponibles en termes de QoS locale et globale. En outre, en exploitant des informations sur le trafic, telles que la densité véhiculaire, la vitesse des véhicules et de la longueur des segments de routes, des modèles théoriques sont élaborés pour estimer la qualité de service en temps réel pour deux scénarios distincts : des segments de routes à 1 et à 2 voies. Ces modèles offrent deux principaux avantages: des estimations précises de la qualité des segments de routes et un gain en charge de trafic de signalisation par rapport à la méthode d'estimation traditionnelle reposant sur l’envoi périodique de paquets de signalisation dédiés. Par ailleurs, le concept de TI (Terminal Intersection) est introduit pour mutualiser les routes entre intersections et éviter un routage basé sur nœuds communicants. Ainsi, les différentes paires de communication partagent les informations les plus à jour sur les meilleures routes, ce qui est bénéfique à la réduction de la charge de signalisation et au délai d’établissement des routes. Enfin, pour réduire davantage le trafic de signalisation et diminuer ainsi la congestion du réseau, la technique de transmission à un saut est améliorée, dans le protocole AQRV-2, grâce au concept d'élection distribuée du relayeur qui permet d’éviter la découverte du voisinage par échanges périodiques de paquets Hello. Les performances des protocoles proposés et la pertinence des modèles mathématiques de QoS dérivés ont été évaluées par des séries de simulations implémentant des scénarios réalistes. Une analyse approfondie a permis de montrer la meilleure performance des protocoles de routage développés en termes de signalisation, de délai et de taux de remise de paquets en comparaison aux protocoles de routage de référence. L’étude a également montré l’effet des différents paramètres protocolaires sur les performances globales.

Vehicular ad hoc networks (VANETs) are able to supply scalable and cost-effective solutions for various applications such as road safety, traffic efficiency and entertainments through multi-hop vehicle-to-vehicle wireless communications. However, developing multi-hop communications in VANET environments is a very challenging problem due to the rapid topology changes and frequent network disconnections, which lead to routing failure or inefficiency in traditional mobile ad hoc routing protocols. This dissertation proposes a novel class of routing protocols (AQRV, AQRV-1 and AQRV-2), which can account for specific characteristics of VANETs. Based on real-time QoS of road segment (namely connectivity probability, packet delivery ratio and delay), these three routing protocols rely on dynamic intersection-based best QoS route selection to cope with the scalability challenge in large-scale urban scenarios and meet varying requirements of a large number of applications. In order to explore the best QoS routing path, we regard the corresponding routing issue as an optimization problem, and propose an ACO-based (Ant Colony Optimization) algorithm to solve it. Besides, to reduce routing exploration time and decrease network overhead, an opportunistic method is proposed to explore the network and search available routing paths in terms of local/global QoS. In addition, by taking benefit from traffic information, such as vehicle density, vehicle speed and road length, we design mathematical models to estimate real-time QoS for 1-lane and 2-lane road scenarios. The main advantages of these models are twofold: provide accurate estimations of road segments’ QoS metrics and decrease the overhead compared with the estimation method by forwarding periodic packets. Furthermore, a TI-based (Terminal Intersection) concept is proposed to make a group of communication pairs share the same back-bone best route, which is beneficial to update latest routing information, decrease overhead and reduce transmission delay. Upon best route identification, data packets forwarding process is initiated including a dynamic road segment selection at intersections based on the updated global QoS, and a simple greedy carry-and-forward scheme to relay data packets between two neighboring intersections. Finally, to further reduce signaling overhead and alleviate network congestion, the one-hop geographical forwarding is improved using a distributed receiver-based election concept and utilized in AQRV-2 routing protocol to avoid periodic Hello packets exchanges. Extensive simulations are implemented to prove the effectiveness of the proposed protocols and the accuracy of the derived mathematical QoS models. A thorough analysis showed the better performance of our routing protocols in terms of overhead, delay and packet delivery ratio compared with reference routing protocols, and investigated the effects of related influencing factors.