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Theses Year : 2023

Hybridization of vehicular communication technologies for a resilient high-performance network

Hybridation des technologies de communication véhiculaire pour un réseau résilient et performant

Abstract

In the modern landscape of transportation and communication, vehicular communications have emerged as a critical pillar for enabling Cooperative Intelligent Transport Systems (C-ITS). These communications facilitate seamless and real-time data exchange between vehicles, infrastructure, and even pedestrians, giving rise to a dynamic ecosystem known as Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs) and Vehicular-to-Everything (V2X) communication. Vehicular communications have an eminence potential to improve road safety and traffic management. It allows vehicles to exchange awareness messages with their surroundings to prevent road accidents that can be mitigated using C-ITS. These messages must be sent in a reliable, fast and high throughput medium to promise a better safety service, thus help reaching the European commission’s target, which envisions reducing road accidents by half. Nowadays, vehicular communication technologies are globally based on IEEE (i.e. IEEE 802.11) standards like IEEE 802.11p and IEEE 802.11bd standards and 3GPP standards like LTE-V2X and 5G NR V2X. IEEE standards are used in the access layer of the ITS-G5 vehicular communication technology and the 3GPP standards are used to define Cellular V2X (C-V2X) technologies. Emerging standards, such as IEEE 802.11bd technology, are intended to work alongside (resp. potentially replace) LTE-V2X (resp. IEEE 802.11p) to better facilitate advanced use cases and higher levels of automation in transportation systems. Emerging new V2X applications, like Advanced Driver Assistance Systems (ADASs) and Connected Autonomous Driving (CAD) depend on a significant amount of shared data and require Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC). Unfortunately, none of the existing V2X communication technologies can satisfy these requirements independently. In this thesis, we study the importance and the feasibility of adopting a hybrid vehicular communication architecture to enhance the performance of the V2X communications. A hybrid vehicular communication architecture refers to a system that combines multiple communication technologies to facilitate resilient and reliable communication. The hybrid nature of this architecture involves integrating both ITS-G5 communication technology and C-V2X technologies. This approach leverages the strengths of both technologies to create a versatile and reliable communication framework for the vehicles of today and the future. Our contribution in this thesis is threefold, focusing on C-ITS and hybrid communications. First, we initiate our inquiry by assessing the potential of new generation technologies to meet the demands of emerging V2X applications. In this context, we proceed with the implementation and comprehensive evaluation of the IEEE 802.11bd standard, with a specific focus on its capacity to enhance reliability, increase throughput, and mitigate the number of vehicular accidents. Second, our main contribution introduced a novel scalable hybrid vehicular communication architecture that accommodates various combinations of existing vehicular communication technologies. This is done by integrating a new hybrid communication management layer in the protocol stack of the ITS station that maintains the transparency between the access layer and the application layer. In parallel, since the primary hurdle in hybrid communication is Radio Access Technology (RAT) selection, we investigate a decentralized RAT selection strategy that uses Deep Reinforcement Learning (DRL). Furthermore, Numerical results reveal that the hybrid vehicular communication architecture has the potential to enhance the Packet Reception Rate (PRR) by up to 30% compared to a legacy vehicular communication architecture. Additionally, the selection strategy exhibits about 20% improvement in throughput and a 10% reduction in channel busy ratio. The third contribution is presented as a Proof of Concept (PoC) on hybrid communication and the vMEC (vehicular Multiaccess edge computing) to enhance the orientation of approaching vehicles in a toll station.
Dans le domaine des transports intelligents, les réseaux de communication véhiculaire jouent un rôle crucial dans les Systèmes de Transport Intelligents Coopératifs (C-ITS). Ils facilitent l'échange de données en temps réel entre les véhicules, les infrastructures, et les piétons, réalisant ainsi une communication du véhicule vers Tout (V2X). Ces communications donnent naissance à un réseaux Ad-Hoc Véhiculaires (VANETs) qui a le potentiel d'améliorer la sécurité routière et la gestion du trafic en permettant aux véhicules d'échanger des messages de sensibilisation pour prévenir les accidents de la route, contribuant ainsi à l'objectif de la Commission européenne de réduire de moitié les accidents. Ces messages doivent être transmis de manière fiable, et à haut débit pour garantir un meilleur service de sécurité routière. Actuellement, les technologies de communication véhiculaire reposent sur les normes IEEE802.11 telles que 802.11p et 802.11bd ainsi que sur les normes 3GPP telles que LTE-V2X et 5G NR V2X. Les normes IEEE sont utilisées dans la couche d'accès de la technologie ITS-G5, tandis que les normes 3GPP définissent les technologies de communication véhiculaire cellulaires C-V2X. De nouvelles normes émergentes, telles que IEEE802.11bd et 5G NR V2X, sont conçues pour répondre aux besoins des applications V2X avancées et de l'automatisation élevée dans les systèmes de transport. Ces applications V2X, telles que les Systèmes Avancés d'Aide à la Conduite (ADAS) et la Conduite Autonome Connectée (CAD), dépendent d'une quantité significative de données partagées et nécessitent des Communications Ultra-Fiables et à Faible Latence (URLLC). Cependant, aucune des technologies de communication V2X existantes ne peut répondre aux exigences des nouvelles application V2X de manière indépendante. Dans cette thèse, nous explorons la faisabilité de l'adoption d'une architecture hybride de communication véhiculaire pour améliorer les performances des communications et répondre aux besoins des nouvelles applications V2X. Une architecture hybride de communication véhiculaire désigne un système qui combine plusieurs technologies de communication pour développer une communication résiliente et fiable. La nature de cette architecture implique l'intégration à la fois de la technologie de communication ITS-G5 et des technologies C-V2X pour exploiter les avantages des deux familles de technologies pour créer un cadre de communication polyvalent et résilient. Cette thèse propose trois contributions distinctes dans le contexte des C-ITS et des communications hybrides. Premièrement, nous commençons notre quête en évaluant la capacité des technologies de nouvelle génération à répondre aux exigences des applications V2X. Dans ce contexte, nous procédons à l’implémentation et à l'évaluation de la norme IEEE 802.11bd, en mettant l'accent sur sa capacité à améliorer la fiabilité, et à réduire le nombre d’accidents de la route. La deuxième contribution est une nouvelle architecture de communication véhiculaire hybride évolutive qui prend en charge diverses combinaisons de technologies de communication véhiculaire. Cela est réalisé en intégrant une nouvelle couche de gestion de communication hybride qui maintient la transparence entre la couche d'accès et la couche d'application. Parallèlement, nous étudions une stratégie décentralisée de sélection de technologie d’accès qui utilise l'apprentissage profond par renforcement (DRL). De plus, les résultats numériques révèlent que notre architecture hybride améliore le taux de réception des paquets (PRR) jusqu'à 30 % par rapport à une communication ITS-G5 traditionnelle. De plus, la stratégie de sélection présente une amélioration d'environ 20 % du débit et une réduction de 10 % du taux d'occupation du canal. La troisième contribution est présentée sous forme de preuve de concept (PoC) sur la communication hybride et le vMEC pour améliorer l'orientation des véhicules approchants dans une station de péage.
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Dates and versions

tel-04529733 , version 1 (02-04-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04529733 , version 1

Cite

Badreddine Yacine Yacheur. Hybridization of vehicular communication technologies for a resilient high-performance network. Computer Science [cs]. Université de Bordeaux; INP Bordeaux, 2023. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04529733⟩

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