Connectivity-based Routing and Dissemination Protocols for Vehicular Networks

Abstract

Los sistemas inteligentes de transporte cooperativos (Cooperative Intelligent Transport Systems) han sido identificados como un medio prometedor para mejorar la seguridad vial y la eficiencia del tráfico. Estos sistemas se basan en el intercambio dinámico de mensajes entre vehículos (Vehicle-to-Vehicle, V2V), y entre vehículos y nodos de infraestructura (Vehicle-to-Infrastructure, V2I). Gracias a este intercambio de información, las aplicaciones cooperativas permitirán que un conductor pueda detectar situaciones de tráfico adversas o peligrosas con suficiente antelación, tanto en el tiempo como en el espacio. Para hacer frente a los estrictos requisitos de las aplicaciones cooperativas y a las condiciones adversas en las que se realizan las comunicaciones vehiculares, están siendo especificados los estándares de comunicación internacionales IEEE 802.11p y ETSI ITS G5. Estos estándares permiten realizar comunicaciones V2V y V2I directas o del tipo multi-hop. Las comunicaciones multi-hop en redes de comunicaciones vehiculares posibilitan la transmisión de mensajes hacia nodos lejanos y la distribución de información a vehículos situados en áreas de relevancia, empleando nodos intermedios como retransmisores. Sin embargo, el rendimiento de sistemas que emplean comunicaciones multi-hop depende ampliamente del diseño e implementación de protocolos de enrutamiento y diseminación eficaces y efectivos. Estos protocolos deben enfrentarse a los retos impuestos por el entorno de comunicación vehicular (la elevada movilidad de los vehículos, las condiciones variables de propagación radio y de densidad vehicular, y las escasez de recursos radio). En este contexto, esta tesis doctoral presenta y evalúa novedosos protocolos de enrutamiento y diseminación basados en el concepto de conectividad multi-hop de las calles o “multi-hop road connectivity”. La conectividad multi-hop se define como la capacidad que presenta una calle para posibilitar comunicaciones multi-hop. En la tesis, se propone un mecanismo de comunicación para estimar esta conectividad multi-hop en tiempo real y de forma distribuida. Comparado con otros mecanismos que intentan extrapolar la capacidad de retransmisión multi-hop de una calle basándose en evaluaciones de su densidad de vehículos, el mecanismo propuesto genera menores niveles de sobrecarga en el canal radio. Utilizando el mecanismo de estimación de la conectividad multi-hop propuesto, se presenta un protocolo de enrutamiento que emplea retransmisiones broadcast basadas en contención. Este enfoque basado en contención proporciona robustez al proceso de retransmisión de mensajes. Las estimaciones de la conectividad multi-hop permiten que las decisiones de enrutamiento se adapten dinámicamente a las variaciones de conectividad de la red vehicular. Además, el uso de estas estimaciones hace que la carga de comunicaciones se distribuya más uniformemente en el escenario, permitiendo de esta manera que se reduzca la probabilidad espacial de congestión del canal radio. Finalmente, la tesis propone un protocolo de diseminación híbrido que utiliza las ventajas de las comunicaciones radio heterogéneas. En particular, el protocolo propuesto combina comunicaciones celulares y comunicaciones V2V para diseminar información desde un proveedor centralizado hacia los vehículos situados en un área de relevancia. En particular, las estimaciones de la conectividad multi-hop se envían al proveedor centralizado utilizando la red celular, y los datos se procesan y fusionan para obtener una imagen global de la conectividad de la red vehicular. Este conocimiento contextual de la conectividad se emplea por el proceso de diseminación propuesto que combina inyecciones de la información mediante transmisiones celulares con una diseminación cooperativa en la red de vehículos a través de comunicaciones V2V. La información contextual permite realizar estrategias de inyección inteligentes que aumentan la fiabilidad del proceso de diseminación sin exigir una alta cantidad de recursos celulares. El conocimiento contextual de la conectividad basado en la información de conectividad multi-hop se obtiene con bajos niveles de sobrecarga de comunicaciones tanto en la red celular como en la vehicular. La eficacia y la eficiencia de todos los protocolos propuestos han sido validadas mediante simulaciones a gran escala con precisión, y conformes con los estándares de comunicación vehiculares. En este contexto, la tesis presenta una novedosa plataforma modular para la simulación de aplicaciones ITS cooperativas que ofrece estas capacidades en una única solución.