Efficient Multihop Wireless Communications in VANETs

Abstract

Oggigiorno, una quota rilevante dei veicoli presenti sul mercato è dotata di notevoli capacità computazionali, sensoriali e cognitive. Questi veicoli ``intelligenti'' otterrebbero un beneficio ancora maggiore da queste potenzialità, attraverso l'impiego delle cosiddette comunicazioni inter-veicolari (Inter-Vehicular Communications, IVCs), un insieme di protocolli, standard e tecnologie in grado di dotare i veicoli di capacità comunicative. In particolare, grazie alle tecnologie IVCs, i veicoli possono creare reti decentralizzate, ed auto-organizzate, comunemente note come Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs). Quest'ultime possono essere formate, sia fra veicoli, determinando la realizzazione di comunicazioni inter-veicolari pure (Vehicle-to-Vehicle communications, V2V), oppure coinvolgendo anche nodi fissi (ad esempio, posti ai lati delle strade), determinando la realizzazione di comunicazioni da veicolo verso infrastruttura (Vehicle-to-Infrastructure, V2I), o da infrastruttura verso veicolo (Infrastructure-to-Vehicle I2V).

In questa tesi presenteremo una famiglia di protocolli di instradamento a passi multipli, adatti per un largo spettro di applicazioni nell'ambito delle VANET, quali la prevenzione di incidenti stradali, o applicazioni di raccolta dati, in scenari di tipo V2V, V2I, o I2V. Il primo protocollo che viene proposto è un nuovo schema di broadcasting probabilistico per reti lineari a passi multipli, noto come Irresponsible Forwarding (IF), secondo il quale ogni veicolo decide probabilisticamente se effettuare la ritrasmissione (broadcast) di un messaggio ricevuto. La probabilità di ritrasmissione è determinata sulla base della propria distanza dalla sorgente e della densità spaziale dei propri vicini. I vantaggi principali del protocollo IF rispetto alle soluzioni presenti in letteratura, sono costituiti dalla sua natura intrinsecamente distribuita, dalla bassa latenza, e dall'assenza di overhead, in quanto esso non prevede l'utilizzo di pacchetti ausiliari di supporto

Successivamente, presenteremo un secondo protocollo di instradamento probabilistico, noto come Silencing Irresponsible Forwarding (SIF), che riprendendo le idee alla base di IF, permette di ottenere una maggiore efficienza (e.g., un minore numero di ritrasmissioni), senza penalizzarne l'affidabilità, e mantenendo valori di latenza comparabili ad IF. In seguito, verrà inoltre proposto un protocollo di clustering decentralizzato, noto come Cluster-Head Election IF (CHE-IF). Quest'ultimo si propone di sfruttare lo spontaneo processo di formazione di cluster effimeri di nodi nelle reti veicolari, in maniera distribuita ed efficiente. Per ottenere questo risultato, CHE-IF utilizza l'idea alla base di IF, ma introducendo dei pacchetti di controllo aggiuntivi, espressamente dedicati alla realizzazione di cluster di nodi. Infine, le prestazioni di tutti i protocolli proposti verranno testate mediante simulazioni numeriche in realistici scenari veicolari, quali autostrade e strade urbane, assumendo di utilizzare interfacce radio compatibili con lo standard IEEE 802.11p.

Nowadays, most of the vehicles available on the market are provided by sensorial, computational, and cognitive skills. Vehicles can achieve a higher awareness level, by exploiting these potentialities through Inter-Vehicular Communications (IVCs), a set of technologies that gives networking capabilities to the vehicles. Leveraging on the IVC technology, vehicles can create decentralized and self-organized vehicular networks, commonly denoted as Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs). These networks can be formed between vehicles, leading to Vehicle-to-Vehicle communications (V2V), or they can also involve some fixed network nodes (e.g., access points or road side unit) leading to the so-called Vehicle-to-Infrastructure (V2I) and Infrastructure-to-Vehicle (I2V) communications.

In this thesis we present a family of multihop broadcast forwarding protocols suitable for a wide range of VANETs applications, ranging from accident-preventing, to data collection applications, in V2V, V2I, or I2V scenarios. The first proposed protocol is a new probabilistic-based broadcasting scheme for multi-hop linear networks, denoted as Irresponsible Forwarding (IF), where each vehicle probabilistically rebroadcasts a received data packet on the basis of (i) its distance from the source and (ii) the spatial density of its neighbors. The main advantages of the IF protocol with respect to solutions present in the literature, are its inherently distributed nature, the low-latency, and the absence of overhead, since auxiliary supporting packets are not needed.

On the basis of the IF concept, we will present an improved probabilistic forwarding protocol, denoted as Silencing Irresponsible Forwarding (SIF) protocol, able to guarantee a greater efficiency (e.g., a smaller number of retransmissions), without penalizing the reliability, and maintaining a comparable latency. Furthermore, we will propose a novel decentralized clustering protocol, denoted as Cluster-Head Election IF (CHE-IF), whose goal is which of exploiting the spontaneous formation of ephemeral clusters of vehicles in VANETs, in a distributed and efficient manner. This result is achieved by enhancing IF with some additional control messages, aimed at the creation of cluster of nodes. Finally, the performance of the proposed protocols will be tested through numerical simulations in realistic vehicular environments, such as highways and urban roads, by using radio interfaces compliant with the IEEE 802.11p standard.