´ Etude de la formation de convois dans un r´seau de                                             ev´hicules sur autoroute ...
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Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s                                   e                     ePlan1   Introductio...
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´                    Evaluation de la qualit´ des convois                                           e               Sc´nar...
´                    Evaluation de la qualit´ des convois                                           e               Sc´nar...
´                                  Evaluation de la qualit´ des convois                                                   ...
´                                                      Evaluation de la qualit´ des convois                               ...
´                                                Evaluation de la qualit´ des convois                                     ...
ConclusionConclusion    Un algorithme de formation de convois est propos´ pour les r´seaux                                ...
Plus d’infos dans ma th`se :                       ehttp://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00512021
Messages pour l’algorithme de formation de convois  Nom du message         Sigle   Mode de diffusion  Join convoy request  ...
R´ception d’un message Hello e 1:   procedure hello(id, idConvoy , pos, speed) 2:      if ConvoyHead 3:         ∧ lifetime...
R´ception d’un message Hello e 1:   function lifetime(speed, pos) 2:      d ← |pos − CurrentPos| 3:      if speed ¡ Curren...
Variables, constantes et Initialisation d’un nœud  Constantes :    Id                                            Identifian...
Variables, constantes et Initialisation d’un nœud  procedure initialisation     IdConvoy ← Id     ConvoyLength ← 0     Con...
Simulateur de trafic routier    Bas´ sur un mod`le de micro-mobilit´ d´crit par Kazi I. Ahmed dans       e            e    ...
Passage ` l’´chelle        a eD´finitions : e    La densit´ du r´seau : nombre de nœuds par unit´ g´ographique.            ...
[Bas99]   S. Basagni.          Distributed clustering for ad hoc networks.          In Parallel Architectures, Algorithms,...
In IEEE, editor, Proceedings of WCNC’09 (Wireless          Communications & Networking Conf.), April 2009.[MC08]    K.T. M...
[PsCEC04] Eun Kyoung Paik, Ho sik Cho, Thierry Ernst, and Yanghee          Choi.          Load sharing and session preserv...
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  1. 1. ´ Etude de la formation de convois dans un r´seau de ev´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
  2. 2. Introduction ContexteR´seaux de v´hicules sur autoroute e eNotre ´tude porte sur les communications V2x des r´seaux de v´hicules sur e e eautoroute. Ses particularit´s sont : e V´hicules roulant ` vitesse ´lev´e, 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 dur´e 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
  3. 3. Introduction ContexteConvois 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 2 / 24
  4. 4. Introduction ContexteR´seau de v´hicules avec infrastructure e eL’ajout de point d’acc`s reli´s entre-eux permet d’assurer la connectivit´ e e edu r´seau et d’am´liorer le passage ` l’´chelle [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 daccès 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 3 / 24
  5. 5. Introduction Probl´matiques eProbl´matiques eDeux 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 4 / 24
  6. 6. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e ePlan1 Introduction2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e M´canismes de gestion de la mobilit´ e e Handover sans coupure Travaux existants3 Algorithme de formation de convois4 ´ Evaluation de la qualit´ des convois e5 Conclusion F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 5 / 24
  7. 7. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e M´canismes de gestion de la mobilit´ e eGestion de la mobilit´ v´hicule/ap e eM´canisme de gestion de la mobilit´ : e e D´couverte 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 6 / 24
  8. 8. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e M´canismes de gestion de la mobilit´ e eGestion de la mobilit´ de groupe eLes v´hicules ´tant group´s, nous pouvons g´rer la mobilit´ au niveau d’un e e e e egroupe. 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 ´chang´ pour l’enregistrement. e e e Handover sans coupure F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 7 / 24
  9. 9. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e Handover sans coupureHandover avec la gestion de convoisLa gestion de changement de points d’acc`s peut ˆtre am´lior´ avec la e e e emobilit´ 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. F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24
  10. 10. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e Handover sans coupureHandover avec la gestion de convois Y Point daccès 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24
  11. 11. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e Handover sans coupureHandover avec la gestion de convois Y Point daccès 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24
  12. 12. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e Travaux existantsNEMO et la mobilit´ de groupe eNEMO (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 eplusieurs routeurs mobiles connect´s ` des points d’acc`s diff´rents. e a e e F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 9 / 24
  13. 13. Algorithme de formation de convoisPlan1 Introduction2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e3 Algorithme de formation de convois Algorithme existants Algorithme de formation de convois4 ´ Evaluation de la qualit´ des convois e5 Conclusion F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 10 / 24
  14. 14. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsAlgorithmes 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 11 / 24
  15. 15. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsAlgorithmes 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 Un nœud peut arriver, disparaˆ ıtre, se d´placer : il change de cluster et e d’´tat. e F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 11 / 24
  16. 16. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsAlgorithmes 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 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. F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 11 / 24
  17. 17. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsCluster k-hop Clustermember Clusterhead F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 12 / 24
  18. 18. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsTravaux existantsDe 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. F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 13 / 24
  19. 19. Algorithme de formation de convois Algorithme existantsTravaux existantsDe 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. F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 13 / 24
  20. 20. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisR´seau lin´aire e eNous exploitons l’aspect lin´aire d’un r´seau de v´hicules sur autoroute e e epour ´laborer un algortihme de formation de convois. eRepr´sentation physique : e 4 1 3 2 Porté radio F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 14 / 24
  21. 21. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisR´seau lin´aire e eRepr´sentation physique : e 4 1 3 2 Porté radioRepr´sentation topologique : e 1 2 3 4 Nœud du réseau Lien sans fil F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 14 / 24
  22. 22. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisStructure d’un convoiUn 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 15 / 24
  23. 23. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisFusion de convoisUn convoi peut envoyer une candidature de fusion ` un convoi du avoisinage. Les conditions de candidature sont : La dur´e de vie du lien entre la tˆte de convoi et le voisin est e e sup´rieure ` une limite fix´e 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 r´cemment. eLa tˆte de convoi voisine v´rifie la taille des deux convois r´unis e e e F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 16 / 24
  24. 24. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisScission de convoisLa scission de convois joue le rˆle de maintenance o La scission d’un convoi est initi´e 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 lin´aire, 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 17 / 24
  25. 25. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convoisScission 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 17 / 24
  26. 26. ´ Evaluation de la qualit´ des convois ePlan1 Introduction2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s e e3 Algorithme de formation de convois4 ´ Evaluation de la qualit´ des convois e Sc´nario e R´sultats e5 Conclusion F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 18 / 24
  27. 27. ´ Evaluation de la qualit´ des convois e Sc´nario e´Evaluation de la qualit´ des convois eLes 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 Dur´e de vie d’un convoi. e F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 19 / 24
  28. 28. ´ Evaluation de la qualit´ des convois e Sc´nario eSimulation de l’algorithme de formation de convoisNous avons impl´ment´ l’algorithme de formation de convois dans e eJiST/SWANS. Temps de simulation 600 s Intervalle des Hello 2s Dur´e 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 Port´e radio e 250 m Bande passante 11 Mb/s Table: Param`tres de simulation par d´faut e e F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 20 / 24
  29. 29. ´ Evaluation de la qualit´ des convois e R´sultats eNombre de convois en fonction de la densit´ du trafic e 70 4 véhicules/voie/km 10 véhicules/voie/km 16 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) F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 21 / 24
  30. 30. ´ Evaluation de la qualit´ des convois e R´sultats eNombre de ruptures de convois par nœud en fonction de ladensit´ du trafic e 2.5 4 véhicules/voie/km 10 véhicules/voie/km 16 véhicules/voie/km Nombre de rupture de convois par noeud 24 véhicules/voie/km 2 1.5 1 0.5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Longueur limite du convoi (m) F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 22 / 24
  31. 31. ´ Evaluation de la qualit´ des convois e R´sultats eDistribution 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 23 / 24
  32. 32. ConclusionConclusion 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 satisfaisantesPerspectives : 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 F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 24 / 24
  33. 33. Plus d’infos dans ma th`se : ehttp://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00512021
  34. 34. 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
  35. 35. 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 if10: end procedure
  36. 36. 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 function11: function samedirection(v1 , v2 )12: return v1 × v2 > 0 Test si le produit scalaire est positif13: end function
  37. 37. Variables, constantes et Initialisation d’un nœud Constantes : Id Identifiant du nœud LifeTimeLimit Dur´e 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
  38. 38. Variables, constantes et Initialisation d’un nœud procedure initialisation IdConvoy ← Id ConvoyLength ← 0 ConvoyHead ← True JCReqTable ← ∅ ClusterNodes ← {Id} end procedure
  39. 39. Simulateur de trafic routier Bas´ sur un mod`le de micro-mobilit´ d´crit par Kazi I. Ahmed dans e e e e “ Modeling Drivers’Acceleration and Lane Changing Behavior ” (1999, MIT) Vitesse d´sir´e d’un v´hicule si trafic fluide e e e Loi de poursuite, qui d´crit l’avanc´e 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 s´curit´ 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
  40. 40. Passage ` l’´chelle a eD´finitions : e La densit´ du r´seau : nombre de nœuds par unit´ g´ographique. 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 n´cessaires au bon e fonctionnement d’un protocole.Un protocole passe ` l’´chelle s’il conserve ses propri´t´s quand la taille du a e eer´seau augmente. e
  41. 41. [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.
  42. 42. 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.
  43. 43. [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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