Conception multi-couches (PHY/MAC/NET) pour les réseaux ad hoc véhiculaires (VANETS)

Cross-Layer design for vehicular ad-hoc networks (VANETs)

• Auteur / Autrice : Andy Triwinarko
• Direction : Iyad Dayoub
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanotechnologies, acoustiques et télécommunications
• Date : Soutenance le 22/02/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Christelle Aupetit-Berthelemot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iyad Dayoub, Daniel Roviras, Jalel Ben Othman, El Hadj Dogheche, Kais Hassan, Soumaya Cherkaoui
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Roviras, Jalel Ben Othman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique mobile

Systèmes embarqués (informatique)

Internet mobile

Mots clés libres

IEEE 802.11bd

Conception multicouche

IEEE 802.11bd

Cross-layer design

Résumé

La communication véhiculaire, ou réseaux ad hoc véhiculaires (VANETs), est une technologie de réseau véhiculaire sans fil qui peut soutenir le développement de systèmes de transport intelligents (STI). De nos jours, STI ne concerne pas seulement de voitures connectées sur la route, mais _egalement le véhicule intelligent entièrement automatisé. De nombreuses applications émergentes de véhicule-à-tout (V2X) telles que l'avertissement de collision, la gestion du traffic, le peloton, le contrôle de véhicule à distance, la conduite coopérative et la conduite autonome sont déjà en phase de mise en oeuvre ou de développement. Le nouveau groupe de travail IEEE 802.11bd (TGbd) a été récemment formé pour explorer la future feuille de route pour V2X et travaille actuellement sur une nouvelle norme appelée V2X de nouvelle génération (NGV). Le NGV devrait cibler des applications futures plus larges qui nécessitent un débit plus élevé et fonctionnent dans un environnement à haute mobilité avec une portée de communication étendue. La conception transversale des couches (Cross-Layer design) est une solution émergente qui permet de supporter les nouvelles applications NGV. Ainsi, nous proposons dans cette thèse une nouvelle architecture cross-layer PHY/MAC/NET pour améliorer les performances des applications NGV. Nous commençons cette recherche en identifant les améliorations des couches PHY et MAC d'autres normes Wi-Fi IEEE 802.11 qui pourraient être adoptées pour la norme 802.11bd. Ensuite, nous proposons une première contribution originale, à savoir, une architecture cross-layer PHY/MAC/NET pour améliorer les performances des applications NGV dans un environnement à mobilité élevée. Les résultats de simulation montrent que notre solution permet d'obtenir un débit deux fois plus élevé au niveau de la couche MAC dans un environnement avec une vitesse relative entre les véhicules allant jusqu'à 500 km/h, comme l'exige la norme NGV. Néanmoins, les performances en termes de débit se dégradent dans les VANETs denses en raison du problème de blocage dans la couche MAC. Pour résoudre ce problème, nous proposons une deuxième contribution cross-layer basée sur la sélection d'antennes émettrices et l'adaptation de la puissance émise. Les résultats obtenus montrent que cette conception permet à plus de véhicules de communiquer simultanément et améliore considérablement le débit moyen du réseau, en particulier pour les VANETs à haute densité.

Vehicular communication, or vehicular ad-hoc networks (VANETs), is a wireless vehicular networking technology that can support the development of Intelligent Transportation Systems (ITS). Nowadays, ITS is not only discussing about connected cars on the road but also a fully automated smart vehicle as well. Many emerging vehicle-to-everything (V2X) applications such as collision warning, traffic management, platooning, remote vehicle control, cooperative driving, and autonomous driving are already in the implementation or development phase. The new task group IEEE 802.11bd (TGbd) was recently formed to explore the future roadmap for V2X and is working toward a new standard called next-generation V2X (NGV). NGV is expected to target larger future applications that require higher throughput, operate in a higher mobility environment, and have extended communication range. Cross-Layer design is an emerging solution that supports new NGV applications. Thus, in this thesis, we propose a new cross-layer PHY/MAC/NET architecture to improve the performance of NGV applications. We begin this research by identifying enhancements to the PHY and MAC layers of other IEEE 802.11 Wi-Fi standards that could be adopted for the 802.11bd standard. Next, we propose our first contribution using a multi-layered design at the PHY/MAC/NETlayers to improve the performance of NGV applications in a higher mobility environment. The simulation results show that our proposed cross-layer solution could achieve twice the throughput improvement at MAC layer level and also could work in environment with relative speed between vehicles of up to 500 km/h, as requested by the NGV standard. However, the throughput performance decreased in dense VANETs due to the blocking problem in the MAC layer. We propose our second contribution to solve this problem by using a cross-layer design based on the selection of transmitting antennas and the adaptation of the transmitted power. The simulation results show that the proposed cross-layer design allows more vehicles to communicate simultaneously and significantly improves the average network throughput, especially for high density VANETs.