réseaux sans fil maillés dédiée aux communications véhicule‐à‐véhicule et véhicule‐à‐infrastructure

ARCHITECTURE DES RESEAUX VANETS

   Les réseaux VANETs sont considérés comme une sous classe des réseaux MANETs (Mobile Ad‐hoc Networks), déployés pour assurer la communication au sein d’un groupe de véhicules intelligents. Ces derniers doivent être équipés d’une plate‐forme de traitement informatique, de dispositifs de communication sans fil et de systèmes de positionnement géographique GPS (Global Positioning System). L’ensemble de ces composants permet de gérer la communication, de collecter les données via des capteurs et de traiter les données entrantes et sortantes. Il existe trois composants principaux dans les VANETs: des unités embarquées au sein des véhicules OBU (On‐Board Unit), des unités placées le long des routes RSUs (Road Side Unit)et le canal qui peut être soit câblé (inter‐RSUs) soit sans fil (OBU à RSU et OBU à OBU)[6].
 L’OBU est un dispositif matériel équipé d’une antenne radio émettrice/réceptrice utilisé pour échanger des informations avec des RSUs ou avec d’autres OBUs. Il est également composé d’un processeur et d’une mémoire de lecture/écriture pour permettre le stockage d’informations ainsi que leurs récupérations, d’une interface utilisateur et de capteur GPS.
 L’RSU est équipé des mêmes composants que l’OBU avec des interfaces filaires et sans fils. Ils sont généralement positionnés dans des endroits à forte densité tels que les intersections et les stations‐service et peuvent être placés à côté de la route à intervalles réguliers, ou être intégrés dans des infrastructures routières existantes comme les panneaux routiers, ponts ou barrières de péage.
 Le canal : le canal sans fil dans les VANETs est caractérisé par plusieurs aspects principaux selon le standard DSRC (Dedicated Short Range Communication) qui a été développé spécialement pour les communications de véhicule à véhicule et de véhicule à infrastructure et pour répondre aux exigences des réseaux VANETs. Ces communications couvrent un large éventail d’applications auxquelles différentes bandes de fréquences sont attribuées et réservées. La norme DSRC a des caractéristiques différentes au Japon, en Europe et aux États‐Unis. La comparaison des différences régionales dans DSRC a été résumée dans [7].

PROPRIETES DES RESEAUX VANETS

  Les VANETs sont similaires aux MANETs, car les deux prennent en charge les communications ad hoc entre les nœuds mobiles dans des scénarios de réseau dynamique. Néanmoins, les études de recherche et les travaux réalisés dans le domaine des MANETs ne peuvent être appliqués directement dans le contexte des réseaux de véhicules car ces derniers présentent des spécificités et des caractéristiques uniques [8] :
 Topologie et densité du réseau : Contrairement aux réseaux MANETs, les VANETs se caractérisent par une grande mobilité due aux vitesses élevées des véhicules en mouvement, entraînant ainsi des changements rapides dans la topologie du réseau. Ces changements de topologies sont aussi provoqués par le conducteur affecté par la nécessité de réagir aux données reçues via le réseau. De plus, la densité du réseau dans les VANETs varie en fonction de la densité du trafic, qui peut être très élevée en région urbaine et en cas d’embouteillage, ou très faible en région rurale. Ainsi, les protocoles de dissémination dans les VANETs doivent faire face à ces défis de variation de densité pour bien fonctionner, car la déconnexion continue implique des pertes de données ainsi que des retards pour la retransmission des données.
 Contraintes d’énergie négligeables : Contrairement aux MANETs où la contrainte énergétique représente un facteur majeur et contraignant, les véhicules ont de grandes capacités énergétiques puisque ces derniers peuvent fournir une alimentation continue à l’OBU via leur batterie. Par conséquent, le système embarqué peut être entièrement alimenté et les différents traitements requis peuvent être réalisées.
 Prédiction de la mobilité : Sur les autoroutes, les routes ainsi que les rues, les véhicules sont contraints par la topologie de ces derniers et par l’obligation de respecter les panneaux de signalisation et les feux de circulation, de se déplacer selon une trajectoire prédéfinie menant à la prévisibilité de la position future du véhicule en mouvement en fonction de la carte routière, de la vitesse et de la densité du trafic. La prédiction des positions permet de concevoir des protocoles plus efficaces et de déduire la connectivité entre les nœuds.
 Réseau à grande échelle : La taille du réseau véhiculaire pourrait être grande dans les zones denses telles que le centre‐ville, les autoroutes et à l’entrée des grandes villes. Cette propriété est un facteur important qui doit être pris en considération lors de la conception et le développement de protocole dédié aux réseaux VANETs. En effet, ce dernier pourrait complètement ne plus fonctionner (création d’un goulot d’étranglement / une collision) lors de l’échange d’une grande quantité d’informations entre les véhicules.

Les applications de sécurité

  Cette première catégorie d’applications joue un rôle essentiel dans la protection des conducteurs. En effet, les applications de sécurité sont développés pour prévenir les collisions, éviter les accidents, détecter les obstacles sur les routes et de garder le conducteur et les passagers en sécurité pendant leurs voyages en distribuant des informations sur l’environnement, sur l’état du véhicule et sur les conditions météorologiques, etc. Quelques cas d’utilisation sont donnés ci‐dessous [9] : Évitement des collisions aux intersections : De nombreuses applications font partie des systèmes d’évitement de collision aux intersections qui sont basées sur la communication I2V, V2I ou V2V. On peut citer comme exemples d’applications ; Avertissement de violation des feux de circulation, Avertissement de violation du panneau d’arrêt, Assistant de mouvement d’arrêt, Avertissement de collision à l’intersection et l’application pour des renseignements sur le passage pour piétons à l’intersection. Ces différentes applications ont pour objectif d’avertir les conducteurs des situations dangereuses pouvant survenir si leurs véhicules passent par une intersection donnée. Ceci est réalisé par l’envoi de données collectées à partir des capteurs routiers et des OBUs de véhicules. Sécurité publique : Ce type d’applications vise à aider les conducteurs dans le cas d’accidents et de permettre aux équipes d’urgence à réduire leur temps de déplacement pour un accès rapide à leurs services. Les applications les plus connues dans cette catégorie sont : Avertissement pour approche de véhicule d’urgence, Alerte de sauvetage qui permet de mettre tous les feux de circulation en vert sur l’itinéraire vers la destination, Services SOS. Extension de panneaux : Le but principal de ce genre d’applications est d’alerter les conducteurs inattentifs sur les panneaux placés sur le bord de la route pendant la conduite afin d’éviter les accidents. Ces applications peuvent être classées comme suit : Signalisation embarquée afin d’envoyer des messages d’alerte aux véhicules qui approchent des zones scolaire, hospitalière ou une zone de passage d’animaux. Avertissement de vitesse de virage, Avertissement de hauteur maximal de passage etc. Informations provenant d’autres véhicules : Les informations en provenance d’autres applications véhiculaires peuvent être classées comme suit :
 Avertissement d’événement météorologique pour informer les véhicules de problème de visibilité afin de réduire leur vitesse et d’être prudents.
 Avertissement sur les événements de la route qui vise à prévenir de potentiels accidents avant qu’ils ne surviennent.
 Feux de freinage électroniques d’urgence (EEBL Emergency Electronic Brake Lights) pour des besoins de freinage brusque lors d’une faible visibilité ou, quand les feux de position ne sont pas suffisamment lumineux pour être remarqués par les autres conducteurs.
 Alerte de changement de voie conçu pour éviter les accidents qui pourraient survenir en raison de décisions de changement de voie dangereuses prises par le conducteur etc.

ETSI ITS (European Telecommunications Standards Institute Intelligent Transport Systems)

  En Europe, le groupe de l’Institut européen des normes de télécommunications (ETSI) pour les systèmes de transport intelligents a proposé la norme d’architecture ETSI‐ITS illustrée dans la Figure II‐4. Cette architecture est constituée de quatre couches de protocole horizontales (Applications, Facilities, Réseau et transport, accès au support) avec deux entités de protocole verticales : les plans de gestion et de sécurité. La technologie d’accès de cette pile est également basée sur IEEE 802.11p en exploitant une bande de fréquence autour de 5 GHz pour les applications STI. Par conséquent, la technologie d’accès s’appelle STI‐G5. Le dispositif ETSI ITS fonctionne en mode multi‐radio et multicanaux. Cela signifie que la station doit utiliser une interface radio ITS‐G5 exclusive pour échanger des messages de sécurité sur le canal de commande, c.‐à‐d. G5‐CCH, et une autre interface radio ITS G5 pour transmettre des messages de service sur le canal de service, G5‐SCH. Ce mode réduit efficacement les collisions synchronisées[10]. Dans ETSI‐ITS, la couche de l’accès au support couvre divers supports de communication (WiFi et cellulaire) et les protocoles associés pour les couches physiques et de liaison de données. La couche Transport et Réseau prend en charge non seulement le protocole TCP / UDP sur le service de réseau IPv6, mais également le protocole BTP (Basic Transport Protocol) sur le service GeoNetworking. La couche Facilities est une nouvelle couche introduite par l’ETSI. Elle permet d’échanger des données avec des couches inférieures et avec des entités de gestion et de sécurité de l’architecture ITS. Elle est considérée comme un middleware qui fournit de multiples fonctionnalités et services, tels que la mise à jour du plan dynamique Local (LDM Local Dynamic Map) à utiliser par la couche applicative supérieure. Les services et fonctionnalités fournies par la couche Facilities peuvent être classées en deux catégories : (I) Des services et des fonctionnalités fournis pour une ou plusieurs applications spécifiques comme les messages de notification d’environnement décentralisés DENM (Decentralized Environmental Notification Message). Ce dernier contient des informations relatives à un événement pouvant avoir un impact sur la sécurité routière ou l’état de la circulation. Un événement est caractérisé par un type d’événement, une position d’événement, une heure de détection et une durée. Ces attributs peuvent changer dans l’espace et dans le temps. Le protocole DENM est conçu pour gérer la détection des événements, l’évolution des événements et la fin des événements. (ii) Les fonctionnalités et services de base pour assurer un fonctionnement de différentes applications tels que les messages cognitifs coopératifs CAM (Cooperative Awareness Message). Ce dernier contient des données de véhicule en temps réel ou des données RSU. Il est transmis à haute fréquence depuis un OBU ou une RSU vers d’autres OBU ou RSU situés dans le voisinage immédiat afin de se maintenir mutuellement informé des données respectives [13]

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Table des matières

Remerciements
Résumé
Abstract
Table des matières
Liste des Figures
Liste des tableaux
Acronymes
I Introduction générale
Présentation de la problématique
Méthodologies et Contributions
Structure du Manuscrit
Partie I : Concepts et Méthodes
II Généralités sur les VANETs
Introduction
Architecture des réseaux VANETs
Propriétés des réseaux VANETs
Applications des réseaux VANET
II.4.1 Les applications de sécurité
II.4.2 Les applications pour l’efficacité du trafic
II.4.3 Les applications d’info‐divertissements
Technologies de communication, Normes et Standards
II.5.1 Le réseau cellulaire
II.5.2 IEEE 802.11p
II.5.3 WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment)
II.5.4 ETSI ITS (European Telecommunications Standards Institute Intelligent Transport Systems)
Conclusion
III Les Protocoles de Dissémination dans les VANETs
Introduction
Types de Fonctionnement et caractéristiques
La catégorie diffusion avec relai
La catégorie diffusion avec relai de type store and forward
La catégorie opportuniste
Protocoles à étudier et à évaluer
Conclusion
IV L’outil de Simulation VNS
Introduction
Principales caractéristiques
Liste des simulateurs VANETs
IV.3.1 NCTUns
IV.3.2 iTETRIS
IV.3.3 Veins
IV.3.4 GrooveNet
Les Modèles de Mobilité
IV.4.1 Caractérisation des modèles de mobilité
Généralités sur la structure et l’utilisation de VNS
IV.5.1 Simulateur des réseaux de communication
IV.5.2 Simulateur de la mobilité
IV.5.3 Modifications dans NS3
IV.5.4 Intégration entre mobilité et réseau
IV.5.5 Modifications du simulateur VNS dans le cadre de notre travail
IV.5.6 Le modèle Manhattan dans VNS
Conclusion
Partie II : Contributions et Résultats
V Simulations dans le plan Manhattan Classique
Introduction
Les Paramètres de Simulation
Résultats et Discussion
Conclusion
VI La Proposition d’un Nouveau Protocole de Dissemination Opportuniste « oDHVN »
Introduction
Notre proposition
Algorithme détaillé final
Résultats et Discussion
Conclusion
VII Proposition Du Plan Manhattan Mixte
Introduction
Implémentation et paramètres
Simulations DDT, DHVN et oDHVN dans Manhattan mixte
Simulation hybride dans Manhattan mixte
Conclusion
VIII Conclusion et Perspectives
Conclusion Générale
Contributions
Perspectives
Annexe : Exemple de script python utilisé pour piloter la simulation VNS

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