Cfip11

´
Etude de la formation de convois dans un r´seau de
e
v´hicules sur autoroute pour la gestion de la mobilit´
e e

Florent Kaisser*, V´ronique V`que**, Colette Johnen***
e e

*IFSTTAR - LEOST
**Universit´ Paris-Sud - Laboratoire des Signaux et Syst`mes
e e
*** Universit´ de Bordeaux - LaBRI
e

CFIP 2011 - 10 mai 2011

Introduction Contexte

R´seaux de v´hicules sur autoroute
e e

Notre ´tude porte sur les communications V2x des r´seaux de v´hicules sur
e e e
autoroute. Ses particularit´s sont :
e

V´hicules roulant ` vitesse ´levé, environ 35 m/s
e a e e
Deux v´hicules roulant en sens oppos´s ` avec une couverture radio de
e e a
600 m, alors la duré de la communication directe entre les v´hicules
e e
est de 9 secondes
La communication avec un ´quipement fixe est de environ 18 secondes.
e

Sur une mˆme direction, la vitesse relative entre v´hicules reste
e e
faible : d´placement en groupe.
e

F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 1 / 24


Convois de v´hicules
e

Longueur du convoi

1 5 3 1 12

4 2 4 8 8

6 13 7

9 10 7

id Véhicule Convoi
id

id Tête de convoi



R´seau de v´hicules avec infrastructure
e e
L’ajout de point d’acc`s reli´s entre-eux permet d’assurer la connectivit´
e e e
du r´seau et d’am´liorer le passage ` l’ćhelle [KV09] :
e e a e
Une partie du trafic transite par le r´seau filaire.
e
Le r´seau est hi´rarchis´.
e e e

Point d'accès B A

8 9 6

7 11 10 7

3 5 1 1

2 4 4

id Véhicule
id
Convoi
id Tête de convoi id Passerelle


Introduction Probl´matiques
e

Probl´matiques
e

Deux types de mobilit´s avec une infrastrucutre et des convois :
e

Mobilit´ entre un convoi et point d’acc`s : Protocole d’enregistrement
e e
du convoi aupr`s de l’infrastructure
e

Mobilit´ entre v´hicules : Algorithme distribu´s de formation de
e e e
convois


Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e

Plan

1 Introduction

2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e
M´canismes de gestion de la mobilit´
e e
Handover sans coupure
Travaux existants

3 Algorithme de formation de convois

4 ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e

5 Conclusion


e e Mćanismes de gestion de la mobilit´
e e

Gestion de la mobilit´ v´hicule/ap
e e

Mćanisme de gestion de la mobilit´ :
e e

Dćouverte de point d’acc`s : trouver un chemin vers un point
e e
d’acc`s.
e

Enregistrement aupr`s des points d’acc`s : conserver le chemin entre
e e
un point d’acc`s et un nœud mobile.
e

Un point d’acc`s joue le rˆle de proxy pour le nœud destinataire. Le
e o
nombre de sauts maximal (TTL) d’une requˆte peut alors ˆtre r´duit.
e e e


e e Mćanismes de gestion de la mobilit´
e e

Gestion de la mobilit´ de groupe
e

Les v´hicules ´tant group´s, nous pouvons g´rer la mobilit´ au niveau d’un
e e e e e
groupe. Un groupe de v´hicules est appel´ convoi.
e e

L’enregistrement ne s’effectue plus individuellement pour chaque
nœud.

Chaque convoi s’enregistre au pr`s de l’infrastructure.
e

On r´duit le nombre de message ćhang´ pour l’enregistrement.
e e e

Handover sans coupure


e e Handover sans coupure

Handover avec la gestion de convois
La gestion de changement de points d’acc`s peut ˆtre am´lior´ avec la
e e e e
mobilit´ de groupe
e

Nœuds passerelles : nœuds connect´s avec un point d’acc`s.
e e

Il peut exister plusieurs passerelles dans un convoi.

La passerelle courante est la passerelle utilis´ par tous les nœuds du
e
convoi.

Un convoi peut contenir des passerelles vers des points d’acc`s
e
diﬀ´rents.
e

Quand le lien entre la passerelle courante et son point d’acc`s faiblit,
e
une autre passerelle peut prendre le relais.


e e Handover sans coupure

Handover avec la gestion de convois

Y

Point d'accès B A

8 9 6

7 11 10 7

3 5 1 1

2 4 4

id Véhicule
id
Convoi
id Tête de convoi id Passerelle


e e Travaux existants

NEMO et la mobilit´ de groupe
e

NEMO (Network Mobility), permet de g´rer la mobilit´ de groupe.
e e

´
Etend Mobile IP pour la mobilit´ de r´seau.
e e
Ajout de routeurs mobiles dans un r´seau.
e
Un routeur mobile peut s’associer avec un point d’acc`s.
e
Seul les routeurs mobiles s’enregistrent au pr`s de leur r´seau m`re.
e e e
Les noeuds mobiles utilisent ces routeurs pour atteindre
l’infrastructure.

Dans [Kim06, PsCEC04] , les auteurs introduisent la possibilit´ d’utiliser
e
plusieurs routeurs mobiles connect´s ` des points d’acc`s diﬀ´rents.
e a e e


Algorithme de formation de convois

Plan

1 Introduction

e e

Algorithme existants
Algorithme de formation de convois

4 ´
e

5 Conclusion


Algorithme de formation de convois Algorithme existants

Algorithmes de formation de cluster

Un cluster est un groupe de nœuds
Chaque nœud appartient ` un cluster : les clustermember
a
Chaque cluster poss`dent un seul chef : le clusterhead
e

Les clusters peuvent ˆtre reli´s par des nœuds passerelles : les gateway
e e
Donc un nœud peut ˆtre dans un des 3 ´tats :
e e
Clusterhead
Gateway
Les nœuds qui sont ni clusterhead ni gateway sont les membres de
cluster : le clustermember




a
e

e e
e e
Clusterhead
Gateway
Un nœud peut arriver, disparaˆ
ıtre, se d´placer : il change de cluster et
e
d’´tat.
e




a
e

e e
e e
Clusterhead
Gateway
Un nœud peut arriver, disparaˆ
ıtre, se d´placer : il change de cluster et
e
d’´tat.
e

Un clustermember peut ˆtre ` 1, 2, k sauts du clusterhead : cluster
e a
1-hop, 2-hop, k-hop.


Cluster k-hop

Clustermember

Clusterhead



Travaux existants

De nombreux travaux traitent de la formation de clusters :

Clusters 1-hop [Bas99] : Introduction d’algorithmes pour la formation
et la maintenance de clusters.

Clusters k-hop [NGS03, MC08] : g´n´ralisation des algorithmes pour
e e
des clusters k-hop.

Clusters multi-hop autonomes [OIK03] : Gestion autonome de la taille
des clusters.


Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois

R´seau lin´aire
e e

Nous exploitons l’aspect lin´aire d’un r´seau de v´hicules sur autoroute
e e e
pour ´laborer un algortihme de formation de convois.
e

Repr´sentation physique :
e

4

1
3

2

Porté radio



R´seau lin´aire
e e
Repr´sentation physique :
e

4

1
3

2

Porté radio

Repr´sentation topologique :
e

1 2 3 4

Nœud du réseau

Lien sans fil



Structure d’un convoi

Un convoi est un cluster dont les nœuds sont des v´hicules.
e

La tˆte de convoi : le v´hicule devant tous les autres membres du
e e
convoi

La communication ` l’int´rieur du convoi se fait via un protocole `
a e a
transmission conditionnelle [DKS07] :
Diﬀusion d’un paquet dans le sens de d´placement
e
Diﬀusion d’un paquet dans le sens contraire de d´placement
e
Acheminement d’un paquet vers une position dans le convoi.

`
A l’initialisation un convoi contient un seul nœud : la tˆte de convoi.
e

Une tˆte de convoi fait une demande de fusion avec un convoi voisin.
e



Fusion de convois
Un convoi peut envoyer une candidature de fusion ` un convoi du
a
voisinage. Les conditions de candidature sont :

La duré de vie du lien entre la tˆte de convoi et le voisin est
e e
sup´rieure ` une limite fixé
e a e

Les deux convois C1 et C2 se d´placent dans la mˆme direction.
e e

C1 et C2 ont des identifiants diff´rents
e

une candidature de fusion entre C1 et C2 n’a pas d´j` eu lieu
ea
rćemment.
e

La tˆte de convoi voisine v´rifie la taille des deux convois rúnis
e e e



Scission de convois

La scission de convois joue le rˆle de maintenance
o

La scission d’un convoi est initié quand un v´hicule ne peut plus
e e
communiquer avec la tˆte de convoi.
e

Pour d´tecter la rupture, la tˆte de convoi diffuse ` intervalles
e e a
r´guliers un message (ConvoyInfo)
e

Le r´seau ´tant lináire, tous les v´hicules en aval ne peuvent plus
e e e e
communiquer avec la tˆte de convoi.
e

Le v´hicule en tˆte devient alors la tˆte du nouveau convoi
e e e
comprenant les v´hicules en aval.
e



Scission de convois

1 5 3 1
12
4 2 4 8 8

6 7

9 10 7

id Véhicule id Convoi

id Tête de convoi Chemin vers la tête


´
e

Plan

1 Introduction

e e


4 ´
e
Sc´nario
e
R´sultats
e

5 Conclusion


´
e Scńario
e

´
e

Les convois sont-il suffisamment stables ?

Nous nous int´ressons ` cinq m´triques :
e a e

Nombre de convois,

Nombre de ruptures de convois,

Taille d’un convoi en nombre de nœuds,

Longueur d’un convoi en m`tres,
e

Duré de vie d’un convoi.
e


´
e Scńario
e

Simulation de l’algorithme de formation de convois
Nous avons impl´ment´ l’algorithme de formation de convois dans
e e
JiST/SWANS.

Temps de simulation 600 s
Intervalle des Hello 2s
Duré de vie limite d’un lien du convoi
e 600 s
Longueur limite d’un convoi 2 km
Longueur de l’autoroute 10 km
Densit´ de v´hicules
e e 10 v´hicules/voie/km
e
Porté radio
e 250 m
Bande passante 11 Mb/s
Table: Param`tres de simulation par d´faut
e e


´
e R´sultats
e

Nombre de convois en fonction de la densit´ du traﬁc
e

70
4 véhicules/voie/km
60 24 véhicules/voie/km

50
Nombre de convois

40

30

20

10

0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Longueur limite du convoi (m)


´
e R´sultats
e

Nombre de ruptures de convois par nœud en fonction de la
densit´ du traﬁc
e

2.5
Nombre de rupture de convois par noeud

2

1.5

1

0.5

0
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Longueur limite du convoi (m)


´
e R´sultats
e

Distribution de la dur´e d’un convoi en fonction de sa taille
e

120
Densité de véhicules
4
10
100 16
Durée de vie moyenne du convoi

80

60

40

20

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10

11

12

13

14

15
0

0

0

0

0

0
Taille du convoi (nombre de véhicules)

Dur´e totale de simulation : 600 secondes. Longueur maximale : 2000 m.
e

Conclusion

Conclusion

Un algorithme de formation de convois est propos´ pour les r´seaux
e e
de v´hicules sur autoroute
e

Les simulations r´alis´es ont montr´ une bonne stabilit´ des convois
e e e e
et une taille des convois satisfaisantes

Perspectives :
Comparaison avec d’autres algorithmes de formation de cluster.

Des simulations permettraient d’´valuer l’am´lioration des handovers
e e
avec l’utilisation de convois


Plus d’infos dans ma th`se :
e
http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00512021

Messages pour l’algorithme de formation de convois

Nom du message Sigle Mode de diﬀusion
Join convoy request JREQ Direction du d´placement
e
Join convoy reply JREP Vers une position
Node join NJ Vers une position
Convoi info CI Direction oppos´e au d´placement
e e
Acquittement d’un CI CIACK Direction du d´placement
e
Hello HELLO Voisinage

R´ception d’un message Hello
e

1: procedure hello(id, idConvoy , pos, speed)
2: if ConvoyHead
3: ∧ lifetime( hello.speed , hello.pos) ¡ LifeTimeLimit
4: ∧ samedirection(hello.speed, CurrentSpeed)
5: ∧ IdConvoy = hello.idConvoy
6: ∧ CurrentPos < hello.pos
7: ∧ hello.idConvoy JCReqTable then
8: send jcreq(hello.idConvoy , ConvoyLength)
9: end if
10: end procedure

R´ception d’un message Hello
e

1: function lifetime(speed, pos)
2: d ← |pos − CurrentPos|
3: if speed ¡ CurrentSpeed then
4: return (R − d)/( CurrentSpeed − speed)
5: end if
6: if speed ¿ CurrentSpeed then
7: return (R + d)/(speed − CurrentSpeed )
8: end if
9: return ∞ ;
10: end function

11: function samedirection(v1 , v2 )
12: return v1 × v2 > 0 Test si le produit scalaire est positif
13: end function

Variables, constantes et Initialisation d’un nœud
Constantes :
Id Identifiant du nœud
LifeTimeLimit Duré de vie minimal d’un lien
e
ConvoyLengthLimit Longueur limite d’un convoi

Variables de nœud :
IdConvoy Identifiant du convoi auquel on appartient
ConvoyHead Vrai si le nœud est la tˆte de convoi
e
ConvoyLength Longueur actuelle du convoi
JCReqTable Ensemble des messages JCREQ envoy´s e
ClusterNodes Ensemble des nœuds appartenant au cluster

Variables ext´rieurs :
e
CurrentSpeed Vecteur vitesse courante
CurrentPos Position courante

Variables, constantes et Initialisation d’un nœud

procedure initialisation
IdConvoy ← Id
ConvoyLength ← 0
ConvoyHead ← True
JCReqTable ← ∅
ClusterNodes ← {Id}
end procedure

Simulateur de trafic routier

Bas´ sur un mod`le de micro-mobilit´ dćrit par Kazi I. Ahmed dans
e e e e
“ Modeling Drivers’Acceleration and Lane Changing Behavior ”
(1999, MIT)
Vitesse d´siré d’un v´hicule si trafic fluide
e e e
Loi de poursuite, qui dćrit l’avancé du v´hicule :
e e e
Free-flow : le v´hicule se d´place librement
e e
Car-following : un v´hicule se d´place en fonction du v´hicule qui est
e e e
devant lui sur sa voie
Emergency : le v´hicule maintient une distance de sćurit´ avec le
e e e
v´hicule qui est devant lui.
e
Changements de voie des v´hicules : Si le v´hicule n’a pas atteint sa
e e
vitesse cible et qu’il est gˆn´ par un v´hicule, il change de voie avec
e e e
une certaine probabilit´.e

Passage ` l’ćhelle
a e

D´finitions :
e
La densit´ du r´seau : nombre de nœuds par unit´ gógraphique.
e e e e

La taille du r´seau (en nombre de nœuds) augmente en fonction de la
e
densit´ ou de l’´tendue du r´seau.
e e e

L’overhead est le surplus de messages nćessaires au bon
e
fonctionnement d’un protocole.

Un protocole passe ` l’ćhelle s’il conserve ses propri´t´s quand la taille du
a e ee
r´seau augmente.
e

[Bas99] S. Basagni.
Distributed clustering for ad hoc networks.
In Parallel Architectures, Algorithms, and Networks, 1999.
(I-SPAN ’99) Proceedings. Fourth InternationalSymposium on,
Perth/Fremantle, WA, Australia, 1999.
[DKS07] B. Ducourthial, Y. Khaled, and M. Shawky.
Conditional transmissions : Performance study of a new
communication strategy in vanet.
Vehicular Technology, IEEE Transactions on, 56(6) :3348
–3357, nov. 2007.
[Kim06] W.T. Kim.
DynaMoNET : Dynamic Multi-homed IPv6 Mobile Networks
with Multiple Mobile Routers.
Ubiquitous Computing Systems, pages 398–413, 2006.
[KV09] Florent Kaisser and V´ronique V`que.
e e
On the scalability problem of highway ad hoc network.

In IEEE, editor, Proceedings of WCNC’09 (Wireless
Communications & Networking Conf.), April 2009.
[MC08] K.T. Mai and H. Choo.
Connectivity-based clustering scheme for mobile ad hoc
networks.
In IEEE International Conference on Research, Innovation and
Vision for the Future, 2008. RIVF 2008, pages 191–197, 2008.
[NGS03] Fabian Garcia Nocetti, Julio Solano Gonzalez, and Ivan
Stojmenovic.
Connectivity based k-hop clustering in wireless networks.
Telecommunication Systems, 22(1–4) :205–220, 2003.
[OIK03] Tomoyuki Ohta, Shinji Inoue, and Yoshiaki Kakuda.
An adaptive multihop clustering scheme for highly mobile ad
hoc networks.
In Proceedings of the The Sixth International Symposium on
Autonomous Decentralized Systems (ISADS’03), page 293,
Washington, DC, USA, 2003.

[PsCEC04] Eun Kyoung Paik, Ho sik Cho, Thierry Ernst, and Yanghee
Choi.
Load sharing and session preservation with multiple mobile
routers for large scale network mobility.
Advanced Information Networking and Applications,
International Conference on, 1 :393, 2004.

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