Véhicules connectés contributions à la communication véhicule-réseau mobile et la localisation coopérative

Véhicules connectés, ou « connected vehicles », est un nouveau paradigme des systèmes de transport intelligents (STI) qui vise à améliorer la sécurité et l'efficacité du trafic routier en utilisant les communications sans fil. Les communications des véhicules connectés (ou, V2X) englobent les communications sans fil entre véhicules et infrastructures (V2I), entre véhicule et véhicule (V2V), et entre les véhicules et les dispositifs sans fil (V2D). Considéré comme la norme de facto pour les communications V2X, le DSRC/WAVE est le principal standard de communication sans fil spécifiquement conçu pour les communications véhiculaires. L'efficacité du DSRC/WAVE pour les communications V2V et V2I a été prouvée par de nombreuses études et bancs d'essai dans le monde réel. En ce qui concerne la communication V2V, le passage au stade de déploiement à grande échelle est prévu à l'horizon 2020. En ce qui a trait à la communication V2I, bien que le déploiement d'une infrastructure DSRC (RSU) soit critique pour plusieurs applications STI, il n'y a toujours pas de plan pour son déploiement à grande échelle, essentiellement en raison de la nécessité d'investissements publics considérables. Avec les progrès réalisés au niveau des dernières versions du réseau mobile 4G LTE-A, les réseaux mobiles émergent comme l'une des principales technologies pour les communications V2I. En effet, le réseau mobile LTE-A permet aujourd'hui un plus grand débit (100Mb/s - 1Gb/s) avec relativement un faible délai (10ms) grâce à une évolution au niveau de l'architecture du réseau et l'introduction de nouvelles technologies telles que la densification du réseau à l'aide de petites cellules, relais (fixes et mobiles), la connectivité double (Dual Connectivity, DC), l'agrégation de porteuses (Carrier Aggregation, CA), etc.; des évolutions qui ouvrent la voie vers la 5G à l'horizon 2020 avec la promesse d'un débit encore plus élevé (10Gb/s) et d'un plus faible délai (1ms), ce qui renforce ainsi la tendance pour une future intégration véhicule et réseau mobile. Afin d'atteindre une plus grande efficacité spectrale, les petites cellules sont largement adoptées par les opérateurs de réseaux mobiles, dans les réseaux dits hétérogènes (HetNets), comme une solution clé pour désengorger le trafic au niveau des macrocellules et améliorer la capacité et la couverture du réseau d'accès. Cependant, bien que l'utilisation des petites cellules soit une solution intéressante pour les communications V2I, étant donné leur faible portée, cela provoque des relèves fréquentes qui mènent à une surcharge élevée de signalisation vers le réseau cœur. De plus, étant donné que les petites cellules sont généralement connectées au réseau cœur via une connexion Internet, celle-ci devient le goulot d'étranglement pour la relève et le transfert de données. D'où l'importance de compléter un maximum de relève localement. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'intégration véhicule infrastructure. L'objectif général est de proposer une architecture pour véhicule connecté basée sur la localisation coopérative, la communication V2I et la gestion de relève pour une meilleure intégration VANET – réseau mobile. Cette thèse fait état de trois principales contributions. 1. La première contribution concerne la proposition d'algorithmes de localisation coopérative, basés sur une approche ensembliste, qui permettent d'améliorer la précision de localisation. Le premier algorithme appelé (CLES) est un algorithme générique pour la localisation coopérative basée sur une approche ensembliste. Le deuxième algorithme, appelé (CLEF), est une application de l'algorithme CLES à la localisation par approche des signatures. De plus, nous caractérisons leur précision en évaluant la réduction du diamètre maximal et l'aire du polygone en fonction de différents paramètres tels que le nombre de polygones, la configuration géométrique, la proximité du nœud par rapport à la frontière de son polygone, et l'incertitude sur les mesures de distances. 2. La deuxième contribution porte sur la sélection des passerelles mobiles pour connecter efficacement les véhicules aux petites cellules du réseau mobile. Nous formulons le problème de sélection des passerelles mobiles sous forme d'un problème de programmation linéaire binaire multi-objectif (MO-BIP). Ensuite, nous évaluons l'efficacité de l'algorithme au niveau du temps de calcul pour différents degrés de connectivité et un nombre variable de véhicules. 3. La troisième contribution concerne la gestion de la relève dans les petites cellules du réseau mobile (LTE-A) afin de supporter efficacement les communications des véhicules connectés et réduire la surcharge de signalisation vers le réseau cœur. Pour ce faire, nous proposons un nouveau schéma basé sur le transfert local de trafic en utilisant les liens X2 et les nœuds d'ancrage. Trois procédures sont proposées, à savoir: 1) intra-domaine, 2) inter-domaines, 3) et K-sauts inter-domaines. Ensuite, en utilisant un modèle analytique, nous évaluons l'efficacité du schéma proposé.

Abstract

Connected Vehicles are a new intelligent transportation paradigm that uses wireless communications to improve traffic safety and efficiency. It has received a great deal of attention in recent years, across many communities. While the DSRC is widely recognized as the de facto standard for V2V, other wireless technologies are required for large-scale deployment of V2I communications. Thanks to its high data rates and large scale deployment, the LTE-A enhanced by small cells densification, is positioned as one of the major candidate technologies for V2I communications. However, using LTE-A small cells for V2I communications is challenging due to their small coverage which lead to frequent handoffs and more signaling overhead. Thanks to recent advances in LTE-A Releases-10/11/12, the 4G LTE-Advanced (LTE-A) mobile network appears as one of the major candidate technologies for V2I communications. In fact, the LTE-A promises to deliver reduced connection setup time and lower latency (10ms) and higher data rates (up to 1Gbps) by using new physical layer technologies and new network elements and functions such as, network densification using Small Cells (SCs), Dual Connectivity (DC), Relaying functionality, Carrier Aggregation (CA), Device to Device (D2D) communication, etc.; developments that pave the way to 5G in the Horizon 2020, with the promise of an even higher data rates (more than 10 Gbps) and even much lower latency (1ms), which reinforces the trend for future integration between VANET and mobile networks for V2I communications. Although the macrocell will remain the major Radio Access Network (RAN) element for wide-area coverage and high-mobility users, it is no longer sufficient to meet user's demand in many high-density areas. Indeed, due to the proliferation of mobile devices and applications, mobile data demand continues to grow exponentially. Small cells, which include microcells, picocells, and femtocells, are widely recognized as a key solution for enhancing RAN capacity and coverage. They are increasingly used by mobile operators, in the so-called Heterogeneous Network (HetNet), to offload traffic from their macrocells. A HetNet is typically composed of several layers (macrocells, small cells), and in some cases different access technologies (e.g., LTE-A, UMTS, WiFi). SCs densification involves deploying more small coverage base stations in high demand areas to bring higher spectral efficiency per coverage area. Nevertheless, the SCs deployment faces a number of problems relevant to mobility handling that have to be addressed. More specifically, the use of SCs with limited coverage causes frequent handovers that lead to high signaling overhead toward the core network. In addition, since the small cells are generally connected to the EPC via a network Internet connection, this one becomes the bottleneck for handovers and data forwarding, hence the importance of completing a maximum of handover locally. This thesis therefore aims to propose solutions for VANETs and mobile networks integration. The main contributions of this thesis are summarized as follows: The first contribution concerns the proposed cooperative localization algorithms, based on a set-membership approach which improves the location accuracy. The first algorithm called (CLES) is a generic algorithm for cooperative localization based on a set-membership approach. The second algorithm called (CLEF) is an application of CLES algorithm to fingerprinting localization. In addition, we characterize their accuracy by evaluating the reduction of the maximum diameter and the area of the polygon depending on various parameters such as the number of polygons, the geometric configuration, the nearest node in relation to the boundary of the polygon, and the uncertainty of distance measurements. The second contribution concerns the selection of mobile gateways to effectively connect vehicles to small cells of the mobile network. In fact, while each vehicle may directly uses its LTE-A interface for V2I communications, we argue that by selecting a limited number of GWs, we can effectively reduce the mobility signaling overhead. Hence, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay the traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The selection problem is formulated as a multi-objective binary linear programming problem. Using linear programming solver, we show that, for realistic number of vehicles per small cell and GW connectivity degree, the execution time is relatively short. As a third contribution of this thesis, we focus on challenges relevant to mobility for VANETs using LTE-A network. Specifically, a novel architecture that integrates VANET and 4G LTE-A Heterogeneous Network for enhanced mobility in LTE-A small cells is introduced. First, we propose a new network-based mobile gateway selection scheme with one-hop clustering to efficiently relay traffic from neighbouring vehicles toward the serving SC. The problem is formulated as a multi-objective binary programming problem. Then, for seamless mobility of connected vehicles, we propose a local k-hops anchor-based mobility scheme with three procedures, namely intra-domain, k-hops inter-domain and inter-domain procedures. Numerical results show the effectiveness of the proposed mobility schemes for reducing the generated signaling load towards the core network.