3. Résumé
Les réseaux véhiculaires mobiles, ou Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs), existent
depuis les années 80, mais sont de plus en plus développés depuis quelques années
dans différentes villes à travers le monde. Ils constituent un apport d’informations aux
réseaux routiers grâce à la mise en place de communications entre ses constituants :
principalement les véhicules, mais aussi certaines infrastructures de bords de routes
liées directement aux automobilistes (feux de circulation, parcomètres, infrastructures
spécialisées pour les VANETs et bien d’autres). L’ajout des infrastructures apporte un
support fixe à la dissémination des informations dans le réseau. Le principal objectif de
ce type de réseau est d’améliorer la sécurité routière, les conditions de circulations, et
d’apporter aux conducteurs et aux passagers quelques applications publicitaires ou de
divertissement. Pour cela, il est important de faire circuler l’information de la manière
la plus efficace possible entre les différents véhicules. L’utilisation des infrastructures
pour la simulation de ces réseaux est bien souvent négligée. En effet, une grande partie
des protocoles présentés dans la littérature simulent un réseau ad-hoc avec des nœuds
se déplaçant plus rapidement et selon une carte définie. Cependant, ils ne prennent
pas en compte les spécificités même d’un réseau véhiculaire mobile. Le routage de
l’information dans les réseaux véhiculaires mobiles utilise les infrastructures de façon
certes opportuniste, mais à terme, les infrastructures seront très présentes dans les villes
et sur les autoroutes. C’est pourquoi nous nous sommes concentrés dans ce mémoire
à l’étude des variations des différentes métriques du routage de l’information lors de
l’ajout d’infrastructures sur une autoroute avec l’utilisation du protocole de routage
AODV. De plus, nous avons modifié le protocole AODV afin d’obliger les messages à
emprunter le chemin passant par les infrastructures si celles-ci sont disponibles. Les
résultats présentés sont encourageants, et nous montrent qu’il est important de simuler
les réseaux VANETs de manière complète, en considérant les infrastructures.
iii
4.
5. Abstract
Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET) were created in the early 80’s but have been
developped for the last few years in many cities around the world. They add informa-
tions to the road network by including wireless communications between its component.
Mainly the vehicles, but also numerous RoadSide Units (RSU) which are directly in re-
lation with the road network (traffic light, meter, but also specialized units and more).
The addition of RSUs help the network to disseminate the informations across the net-
work. The main goal of this type of networks is to improve road safety and road traffic,
as well as providing driver and passengers with advertisement and entertainment ap-
plications. In order to accomplish these aims, a good routing of the information in this
kind of networks is a key. Unfortunately, the use of the RSUs in the simulations of
VANETs is often missed. Indeed, the major parts of research on the matter of routing
in VANETs are a simulation of a mobile ad-hoc network with only some improvements
: controlled movement of faster nodes. They do not use the full description of a ve-
hicular ad-hoc network. The routing in these networks use RSU in an opportunistic
way but in the end, the RSUs should be deployed massively so they have to be ack-
owledged. In this research, we concentrate on the study of the variations of routing
metrics when RSUs are added to the simulations. The routing protocol used is AODV,
and we present a modification of it, to force messages to use the path which contains
RSU(s) if they exist. The results are encouraging and show us that in the simulation
of a real vehicular ad-hoc networks, it is important to consider the roadside units.
v
12. 4.15 Réaction des différents protocoles à l’augmentation du nombre de RSUs
en terme de ratio de livraison des paquets . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.16 Réaction des différents protocoles à l’augmentation du nombre de RSUs
en terme de nombre de sauts moyen de bout en bout . . . . . . . . . . . 68
4.17 Réaction des différents protocoles à l’augmentation du nombre de RSUs
en terme de charge du réseau moyen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.18 Évolution des délais de bout en bout en fonction du nombre de véhicules
dans le cas où il y a trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.19 Évolution du PDR en fonction du nombre de véhicule dans le cas où il y
a trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.20 Évolution du nombre de sauts moyen en fonction du nombre de véhicule
dans le cas où il y a trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.21 Évolution de la charge du réseau moyen en fonction du nombre de véhi-
cules dans le cas où il y a trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.22 Délai moyen de bout en bout en fonction de la vitesse dans le cas où il y
a 200 véhicules et trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.23 PDR moyen en fonction de la vitesse dans le cas où il y a 200 véhicules
et trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.24 Nombre de sauts moyen en fonction de la vitesse dans le cas où il y a
200 véhicules et trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.25 Charge du réseau moyen en fonction de la vitesse dans le cas où il y a
200 véhicules et trois RSUs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B.1 Résultats avec 0 RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
B.2 Résultats avec 1 RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
B.3 Résultats avec 2 RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
B.4 Résultats avec 3 RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
B.5 Résultats avec 4 RSU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
xii
13. Sigles et Acronymes
Symbols (glossaries)
3G 3e Génération.
4G 4e Génération.
A
A-STAR Anchor-based Street and Traffic Aware Routing.
AODV Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing.
C
C-Vet UCLA Campus Vehicular Testbed.
C2C-CC "Car 2 Car Communication Consortium".
CAR Connectivity Aware Routing protocol.
CarTel Car Telecommunications.
CBQ Class Based Queuing.
CBR Constant Bit Rate.
CCH Control Channel.
COIN Clustering for Open Inter-vehicular communication Networks.
D
DIR Diagonal Intersection based Routing protocol.
DRR Deficit Round Robin.
DSDV Dynamic destination-Sequenced Distance Vector.
DSR Dynamic Source Routing.
DSRC Dedicated Short Range Communications.
DV-CAST Distributed Vehicular Broadcast.
xiii
14. E
ESRI Environmental Systems Research Institute.
F
FCC Federal Communications Commission.
FIFO First In First Out.
FQ Fair Queuing.
FTP File Transfer Protocol.
G
GPCR Greedy Perimeter Coordinator Routing.
GPS Global Positioning System.
GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing.
H
HV-TRADE History-enhanced V-TRADE.
I
I2V Infrastructure to Vehicule.
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.
ITS Intelligent Transport System.
IVG Inter Vehicular Geocast.
J
JoBS Joint Buffer Management Scheduling.
JSK Association of Electronic Technology for Automobile Traffic and Driving.
L
LORA_CBF Location Routing Algorithm with Cluster-Based Flooding.
LTE Long Term Evolution.
M
MAC Media Access Control.
MANET Mobile ad-hoc Network.
xiv
15. MGRP Mobile Gateway Routing Protocol.
MIBR Mobile Infrastructure Based VANET Routing protocol.
MIT Massachusetts Institute of Technology.
MMTS Multi-agent Microscopic Traffic Simulator.
N
Nam Network Animator.
NCTU Université Nationale Chiao-Tung.
NRO Normalized Routing Overhead.
NS-2 The Network Simulator 2.
O
OLSR Optimized Link State Routing Protocol.
ORBIT Open-Access Research Testbed for Next-Generation Wireless Networks.
OSI Open System Interconnection.
P
PDR Packet Delivery Ratio.
PR-AODV Predicted AODV.
R
RD Random Direction Model.
RED Random Early Discard buffer management.
RPGM Reference Point Group Mobility model.
RSU Roadside Units.
RTP Real-time Transfer Protocol.
RW Random Walk.
RWP Random Waypoint.
S
SADV Static-node-assisted Adaptative data Dissemination in Vehicular networks.
SCH Service Channel.
SIMPS Sociological InteractionMobility for Population Simulation.
xv
16. SJTU Shanghai Jiao Tong University.
SLAW Self-Similar Least-Action Walk.
SRB Secure Ring Broadcasting Routing Protocol.
SUMO Simulation of Urban Mobility.
T
TCP Transmission Control Protocol.
TIGER Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing.
TraNS Traffic and Network Simulation Environment.
U
UCLA University of California, Los Angeles.
UDP User Datagram Protocol.
UMASS University of Massachusetts.
V
V-TRADE Vector-based TRAcking DEtection.
V2I Vehicle to Infrastructure.
V2V Vehicle to Vehicle.
VANET Vehicular Ad-hoc NETwork.
VeiNS Vehicles in Network Simulation.
W
WAVE Wireless Access in Vehicular Environment.
WiMax Worldwide Interoperability for Microwave Access.
WSN Wireless Sensor Networks.
Z
ZOF Zone of Forawarding.
ZOR Zone of Relevance.
xvi
17. Je dédie ce mémoire à France et
à mes parents
xvii
18.
19. Remerciements
J’aimerais remercier les personnes qui m’ont accompagné tout au long de la réalisation
de ce mémoire.
Dans un premier temps, mon directeur de recherche, M. Ronald Beaubrun qui a su me
guider, m’accompagner et être toujours disponible lorsque j’en avait besoin.
Ensuite, j’aimerais remercier mon école en France, l’ECAM Rennes, ainsi que l’Univer-
sité Laval, et tout le personnel encadrant, qui m’ont permis grâce à la mise en place
de leur échange, de participer à ce programme. Je remercie en particulier Mme Hé-
lène Crunel et M. Nadir Belkhiter qui ont mis en place le double diplôme en Génie
Informatique l’année de mon arrivée au Québec.
Je remercie aussi mes amis, français et québécois, pour tout les moments partagés au
cours de ces deux années de recherches et de rédaction. J’ai pu grâce à eux être en
mesure d’allier travail et loisir afin de garder un rythme de vie équilibré. Je remercie
également la société LeLynx.fr dans laquelle j’ai effectué mon stage de fin d’études. J’ai
pu grâce à eux finaliser la rédaction de ce mémoire tout en mettant un premier pieds
dans le monde professionel.
Finalement, je remercie ma famille, Andrée-Claire et Franck Rivaton ainsi que Violaine,
Adèle et Éléonore, qui m’ont soutenu, poussé et encouragé tout au long de mes études,
en France et au Québec.
xix
20.
21. Chapitre 1
Introduction
Le nombre de véhicules en circulation est de plus en plus important. En 2010, nous
avons dépassé le milliard de voitures sur les routes, et l’augmentation est en moyenne
de 35 millions par an [1]. Liés à cette croissance constante, les accidents de la route font
partie des dix principales causes de mortalité dans le monde [2]. Afin de réagir à cette si-
tuation, l’amélioration de la sécurité routière est devenue une préoccupation. C’est dans
cet esprit que sont apparues un certain nombre de recherches qui visent non seulement à
réduire le nombre de morts sur les routes et à améliorer les conditions de la circulation,
mais aussi à diminuer les embouteillages et la pollution [3]. Les réseaux véhiculaires
mobiles, mieux connus sous le nom de Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET), se sont
fixés ces objectifs. Ce domaine de recherche intéresse aussi bien les universitaires que les
industriels de l’automobile et les grandes entreprises de l’innovation (comme Google),
qui travaillent actuellement sur trois projets majeurs [4] :
1. Assistance à la conduite (self-parking, aide au dépassement, radar anticollision,
régulateur de vitesse, etc.) ;
2. Réseaux de communication entre les véhicules ;
3. Voitures autonomes.
Ce sont les réseaux de communications entre les véhicules et plus particulièrement le
routage de l’information qui nous intéressent dans ce mémoire. Pour acheminer les
informations d’un véhicule à un autre à travers un réseau composé de beaucoup de
véhicules, se déplaçant à des vitesses atteignant 160 km/h, il est nécessaire d’effectuer
un routage rapide et efficace de l’information.
Dans cette introduction, la Section 1.1 donne un aperçu des réseaux véhiculaires
mobiles, ainsi que du routage de l’information dans ces réseaux. Ensuite, la Section 1.2
1
22. établit les éléments de la problématique. La Section 1.3 présentera les objectifs de ce
mémoire, alors que la Section 1.4 présentera son organisation.
1.1 Concepts de base
Un réseau véhiculaire mobile est un réseau de type ad-hoc. Un réseau ad-hoc est
capable de se mettre en place de façon autonome, c’est-à-dire sans l’aide d’aucune
infrastructure préparée à l’avance [3]. Les communications se font alors directement
entre les différents nœuds du réseau. On distingue deux types de réseaux mobiles ad-
hoc : les Mobile ad-hoc Networks (MANETs), illustrés à la Figure 1.1, et les VANETs.
Les MANETs sont les plus connus. Ils sont utilisés pour établir des communications
de façon rapide et autonome dans des zones démunies de toute couverture de réseau
(comme par exemple, en cas de catastrophe naturelle ou dans une zone de combats).
Les VANETs sont utilisés pour établir des communications entre tous les véhicules qui
circulent sur les routes. Mais, les VANETs ne sont pas des réseaux purement ad-hoc.
Ils peuvent utiliser, de façon opportuniste, les communications avec des infrastructures,
permettant ainsi un accès à d’autres réseaux et donc aussi, à Internet. Les différentes
infrastructures utilisées dans le cadre des VANETs sont appelées «Unités de Bords de
Routes», de l’anglais Roadside Units (RSU) [5]. Ces unités peuvent être des feux de
circulation, des parcomètres, ou toute autre borne placée au bord de la route.
Figure 1.1 – Illustration d’un MANET
On distingue dans les VANETs deux types de communications : les communications
entre les véhicules, Vehicle to Vehicle (V2V), et les communications entre les véhicules
et les RSUs, Vehicle to Infrastructure (V2I) ou Infrastructure to Vehicule (I2V). L’utili-
sation des RSUs offre un accès à Internet ou à des bases de données locales, permettant
de la publicité ciblée en fonction de la localisation du véhicule. Les communications V2I
et I2V sont utilisées idéalement en tout temps. Seulement, lors de certaines situations
2
23. particulières (en cas d’urgence, ou lors d’absence de RSU dans la zone de transmission),
le réseau utilise les communications ad-hoc. Les véhicules peuvent être en mesure d’ac-
céder au réseau via les RSUs, mais choisiront les communications ad-hoc plutôt que
V2I, si cette dernière est trop gourmande, trop chère, ou inadéquate.
Afin d’illustrer ces différents concepts, la Figure 1.2 nous montre deux véhicules
qui s’échangent des données. Ces données sont, par exemple, du contenu multimédia
volumineux. Dans ce cas, on préfère donc la connexion stable allant du véhicule 1 au
RSU, puis du RSU au véhicule 2, ou dans le sens inverse. Ce sont des communications
V2I et I2V. Cette connexion permet d’accéder à du contenu supplémentaire, car le RSU
est généralement relié à Internet. Cependant, lors de la rencontre de l’obstacle par le
Véhicule 1, le message d’urgence sera transféré de façon ad-hoc directement du véhicule
1 au véhicule 2, ce qui permettra un délai de transmission plus court que si le message
été passé par le RSU : c’est une communication V2V.
Figure 1.2 – Type de communication dans les VANETs
Les VANETs peuvent utiliser différentes technologies de communication : les com-
munications issues des réseaux mobiles, comme par exemple la 3e Génération (3G),
la 4e Génération (4G), ainsi que les technologies Wi-Fi et Worldwide Interoperability
for Microwave Access (WiMax). Cependant, ils utiliseront en priorité une technologie
3
24. Wi-Fi qui a été développée spécialement pour être utilisé dans ce type de réseau : la
technologie Dedicated Short Range Communications (DSRC).
Le routage est une méthode d’acheminement des informations vers la bonne desti-
nation à travers un réseau de connexion donnée. Il consiste à assurer une stratégie qui
garantit, à tous moments, un établissement de routes qui soient correctes et efficaces
entre n’importe quelle paire de nœuds appartenant au réseau. L’objectif du routage
de l’information est d’assurer l’échange des messages d’une manière continue. Vu les
limitations des réseaux ad-hoc, la construction des routes doit être faite avec un mi-
nimum de contrôle et de consommation de la bande passante [6]. En prenant de plus
en considération les caractéristiques des réseaux véhiculaires mobiles, il est important
de minimiser à la fois les délais d’acheminement et les pertes des messages échangés
entre les véhicules. Dans ce contexte, le réseau doit être robuste et avoir un temps d’at-
tente très court : il doit être capable de survivre à la grande mobilité et doit pouvoir
transférer rapidement les messages du véhicule source vers le véhicule destinataire. Afin
de réduire les délais des messages les plus importants, on peut catégoriser les types de
messages qui transitent sur le réseau, non pas en deux groupes (les messages de sécurité
pour le conducteur et les «messages commerciaux» pour les passagers), mais en plu-
sieurs sous-catégories au sein de ces deux groupes, afin de pouvoir gérer efficacement le
réseau. Les messages les plus importants, qui relèvent de la sécurité et de la prévention
des accidents, seront alors envoyés en priorité.
Un aspect important des VANETs qui ne sera pas pris en compte dans ce mémoire est
la sécurité. Le réseau se doit d’être verrouillé afin qu’aucune personne mal intentionnée
ne puisse envoyer de faux messages d’urgence qui pourraient mener à des résultats
dangereux.
1.2 Problématique
Le routage de l’information dans les réseaux véhiculaires mobiles n’est pas un pro-
blème simple [5]. En effet, les VANETs sont des réseaux spontanés qui doivent être en
mesure de se mettre en place de façon autonome. De plus, les VANETs sont utilisés pour
l’amélioration de la sécurité routière, c’est-à-dire pour la prévention et la diminution
des accidents de la route. Dans ce contexte, les messages qui transitent sur le réseau
se doivent d’être délivrés dans des délais courts et sans perte. Afin de répondre à ces
problèmes, les chercheurs ont développé un certain nombre de méthodes de routage de
4
25. l’information [7–26]. Toutefois, la plupart de ces protocoles ne prennent pas en compte
les différentes spécificités qu’implique un réseau véhiculaire mobile et ne sont souvent
efficaces que dans des situations particulières. En effet, un VANET doit être efficace en
ville, en campagne et sur autoroute, dans des situations d’embouteillages, de circulation
fluide, mais aussi dans les situations d’urgences.
Un autre aspect important des VANETs qui est souvent négligé lors de l’établissement
de protocoles de routage est sa possibilité de communiquer via les infrastructures de
bords de routes. Les Réseaux véhiculaires mobiles sont souvent pris pour des réseaux
purement ad-hoc lors des simulations [7–21]. Ainsi, pour transmettre efficacement les
messages vers leurs destinataires, il faut être en mesure d’exploiter les deux types de
communications : V2V et V2I. Quelques protocoles proposent ce type de routage [22–
25], mais ces derniers sont souvent peu développés malgré des résultats prometteurs.
1.3 Objectifs de recherche
Dans ce mémoire, nous visons à concevoir et à mettre en place une méthode de
routage qui permettra de minimiser les délais de transmission et les pertes de messages
dans les VANETs. De manière plus précise, nous visons les objectifs suivants :
1. Étudier les spécifications des réseaux véhiculaires mobiles afin de comprendre et
d’identifier le mieux possible les différents défis et enjeux du routage de l’infor-
mation dans ces réseaux ;
2. Identifier, à travers une étude complète des méthodes et protocoles de routage,
les différents critères d’évaluation de performances, afin de distinguer les points
forts et points faibles de ces protocoles, dans le contexte d’un réseau véhiculaire
mobile ;
3. Proposer une méthode de routage répondant au mieux à la problématique et
évaluer ses performances.
1.4 Organisation du mémoire
Le mémoire est composé de cinq chapitres. Le deuxième chapitre va présenter de
manière générale les réseaux véhiculaires mobiles et leurs spécifications. Le troisième
chapitre va se concentrer sur les aspects de routage de l’information. Après une rapide
présentation de ce qu’est un protocole de routage, ce chapitre approfondira les aspects
5
26. du routage de l’information liés aux réseaux véhiculaires mobiles. Le quatrième chapitre
présentera notre mise en œuvre ainsi que les résultats obtenus au cours de cette maitrise.
Le mémoire sera conclu par le cinquième chapitre.
6
27. Chapitre 2
Caractérisation des VANETs
Ce chapitre, divisé en quatre sections, caractérise les VANETs. Il présente dans la pre-
mière section les réseaux véhiculaires mobiles de manière générale, à travers un rapide
historique, quelques caractéristiques particulières et une présentation des technologies
de transmission et de diffusion utilisées dans les VANETs. Ensuite, la seconde section
expose les différentes possibilités d’applications de ces réseaux. La troisième section
présente les étapes de déploiement, et la quatrième et dernière section va conclure ce
chapitre en faisant un aperçu des modèles de mobilités dans les VANETs.
2.1 Présentation générale
2.1.1 Historique
C’est au début des années 80 que les premières études, portant sur des communi-
cations entre véhicules et infrastructure, ont été menées au Japon à travers le projet
JSK (Abbréviation japonaise pour "Association of Electronic Technology for Automo-
bile Traffic and Driving") [27]. Plus tard, d’autres projets ont été créés aux États-Unis
et en Europe [5]. La motivation première de ces projets a toujours été l’amélioration
de la sécurité routière et la diminution du nombre de morts sur les routes. Ce n’est
que plus tard que les applications de type commercial sont venues s’ajouter à l’équa-
tion. La recherche sur ces réseaux a vraiment commencé à croitre au début des années
2000, avec la création de projets tels que «CarTalk 2000» en Europe [28], «Advance
Safety Vehicle 3» au Japon [29], et «Vehicle Safety Communication» aux États-Unis
[30]. Des ateliers et conférences internationales ont ensuite été créés afin de rassembler
les industriels et les universitaires pour échanger sur leurs projets. En Europe, plu-
7
28. sieurs constructeurs d’automobiles se sont rassemblés pour créer une organisation à but
non lucratif ayant pour but principal d’augmenter la sécurité routière : le "Car 2 Car
Communication Consortium" (C2C-CC) [31]. Cette organisation rassemble maintenant
un très grand nombre de membres et travaille en coopération avec les organismes de
certifications et de standardisations européens afin de développer le déploiement des
réseaux véhiculaires mobiles.
En 2009, l’Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), a publié le stan-
dard 802.11p qui définit l’accès sans fil dans les réseaux véhiculaires mobiles (Wireless
Access in Vehicular Environment (WAVE)) [32].
Très vite, les chercheurs se sont intéressés à un nouveau type d’adressage et de rou-
tage des paquets de données [3, 33, 34]. Plutôt que d’utiliser la méthode IP, il a été mis
en place une méthode géographique appelée GeoCast, basée sur les standards DSRC
et IEEE 802.11, pour fournir une communication multi-sauts sans fil, et ce, sans l’aide
d’infrastructure (par comparaison avec le Global Positioning System (GPS) qui néces-
site un réseaux de satellite, à ne pas confondre avec les infrastructure de bords de route
ou RSU). GeoCast permet ainsi d’étendre les communications de courte portée, four-
nie par DSRC, à des communications multi-sauts. Geocast a d’abord été conçu pour
les MANETs, mais a très vite été étendu à d’autres réseaux tels que les VANETs, les
réseaux de senseurs sans fil, Wireless Sensor Networks (WSN), ou les réseaux maillés
(Mesh Networks) [33]. Ce type d’adressage est en effet bien adapté aux réseaux mobiles
dynamiques, ayant des changements de topologies fréquents, avec ou sans infrastruc-
ture, et supportant des connexions intermittentes.
Ce concept a été introduit vers la fin des années 80 [35]. Ce n’est que quelques
années plus tard qu’il a été présenté en conférence [36], puis au début des années 2000,
le protocole de routage Greedy Perimeter Stateless Routing (GPSR) [10] devint un des
premiers algorithmes de routage utilisant ce type d’adressage et de routage des données.
Depuis, il revient dans beaucoup d’autres protocoles et projets de recherche industriels,
académiques et de standardisation [31, 37–40].
8
29. 2.1.2 Caractéristiques intrinsèques
Les réseaux véhiculaires mobiles ont les caractéristiques intrinsèques suivantes [3, 5,
34] :
1. Ils sont très dynamiques. En effet, le réseau doit pouvoir gérer des véhicules al-
lant de 0 à 160 km/h. Ainsi si deux véhicules sont en sens inverse et qu’ils roulent
tous les deux à des vitesses excessives, le temps d’inter-connexion pourra être très
court.
2. Leurs environnements sont très variés. L’environnement peut être une route, une
autoroute, ou une ville (beaucoup plus complexe). De plus, une situation d’embou-
teillage peut mener à l’encombrement du réseau, tandis qu’une route de campagne
peut conduire à la disparition des liens du réseau, surtout la nuit.
3. Leur mobilité peut être prédite et modélisée. En effet, la circulation sur une route
ou une autoroute est facilement prévisible, car le véhicule doit en général rester
sur la route. Connaissant la position actuelle du véhicule et sa vitesse, il est ainsi
possible de prédire la position du véhicule, à condition de connaitre la carte de
l’environnement.
4. Ils n’ont pas de problème d’énergie ou de stockage. Les équipements du réseau
étant installés dans le véhicule, il n’y a pas de problème lié à la durée de vie du
réseau. De plus, on peut installer dans les véhicules des systèmes de stockages
pour conserver des cartes, ou tout autre type de données susceptibles de servir
au fonctionnement du réseau.
2.1.3 Technologies de transmission et de diffusion
Les réseaux véhiculaires mobiles sont en théorie capables d’utiliser un grand nombre
de technologies de transmission, dont celles issues des 3e génération (3G) et 4e généra-
tion (4G, Long Term Evolution (LTE)) de téléphonie mobile, le Wi-Fi, le WiMax, et le
DSRC/WAVE [33]. Les réseaux mis en place pour les véhicules peuvent utiliser une ou
plusieurs de ces technologies. Nous allons décrire les principales technologies ci-dessous
en terminant par la plus utilisée dans les VANETs : DSRC/WAVE.
9
30. 3G et 4G LTE
Les VANETs utilisent les connexions ad-hoc. Afin de pouvoir se connecter au réseau
global, et donc à Internet, le réseau cellulaire mobile peut être utilisé. Ce dernier utilise
un certain nombre de transmissions, parmi lesquelles : 3G, 4G, LTE. Ces technologies
de transmission sont plus ou moins performantes, et leurs débits théoriques dépendent
fortement de la mobilité des utilisateurs. Ainsi, puisque les réseaux véhiculaires mobiles
sont hautement dynamiques, ces technologies sont peu adaptées. De plus la nécessité
d’appartenance au réseau, via une carte SIM, et donc un forfait avec un opérateur, n’est
pas intéressante.
Wi-Fi et WiMax
Les technologies Wi-Fi et WiMax, à travers les standards 802.11 et 802.16, peuvent
être utilisés dans les VANETs. Un protocole Wi-Fi, 802.11p, a été établi spécialement
pour les VANETs, il est pris en compte par la technologie DSRC. De son côté, WiMax
permet une transmission portant sur une zone géographique étendue. Il reste donc inté-
ressant comme moyen de communication entre les véhicules et les infrastructures, afin
de permettre un accès à Internet au réseau ad-hoc formé par les véhicules. Cependant
WiMax n’est pas non plus idéal dans les situations de très grande mobilité. C’est pour-
quoi on pourra l’utiliser pour les infrastructures, mais on préfèrera DSRC/WAVE pour
les véhicules. Cela peut poser des problèmes de mise en place, les véhicules nécessitant
un bloc de réception/transmission capable d’utiliser à la fois DSRC/WAVE et WiMax.
DSRC/WAVE
La technologie DSRC/WAVE est déjà utilisée pour certaines applications liées à l’au-
tomobile, tel que le payement électronique des péages sans s’arrêter. Nous allons présen-
ter en détail cette technologie. Les communications dédiées à courtes portées, DSRC,
ont été créées spécialement pour les réseaux véhiculaires mobiles. Elles regroupent les
standards WAVE ainsi que la norme 802.11p, qui est la norme Wi-Fi pour les réseaux
véhiculaires mobiles. WAVE regroupe les standards IEEE 1609.x (1,2,3 et 4), qui sont
les standards des couches 2, 3, 4 et 7 du modèle Open System Interconnection (OSI).
IEEE 802.11p [32], gère la couche Physique (couche 1) de ce même modèle. Ils sont
développés spécialement pour les réseaux véhiculaires mobiles, en fonction des spéci-
fications citées ci-dessus (Véhicules rapides, jusqu’à 160 km/h, portés de transmission
allant de 300 à 1000 mètres, temps de latence faible [moins de 50 ms], et débit théorique
allant jusqu’à 6 Mbps).
10
31. Des bandes dédiées ont été allouées par les organismes de certification aux États-
Unis et en Europe. Malheureusement, ces bandes ne sont pas compatibles les unes avec
les autres. Aux États-Unis, 75 MHz ont été alloués autour des fréquences de 9 GHz,
et en Europe, 25 MHz ont été alloués autour de cette même bande. Ces bandes sont
représentées sur les figures 2.1 et 2.2. Au Japon, 80 MHz ont été alloués autour de la
bande 5,8 GHz.
Figure 2.1 – Bandes allouées pour les VANETs aux États-Unis
Figure 2.2 – Bandes allouées pour les VANETs en Europe
Spécification de bandes en Amérique du Nord.
Aux États-Unis, l’allocation a été attribuée par la Federal Communications Com-
mission (FCC). La bande allouée est large de 75 MHz autour de la fréquence 5.9 GHz
(5.850 GHz à 5.925 GHz). Comme on peut le voir sur la Figure 2.1, la largeur des
canaux est de 10 MHz, et les débits possibles sur ces canaux vont de 3 à 27 Mbps.
Cependant les canaux 174 et 176 ainsi que les canaux 180 et 182 peuvent être utilisés
conjointement, afin de former les canaux 175 et 181, et ainsi pouvoir accéder à un débit
de données allant jusqu’à 54 Mbps. Le canal de service 172 est en réalité réservé en cas
de danger vital (Critical Safety of Life), et le canal 184 est un canal de puissance élevé
pour la sécurité publique (High Power Public Safety).
11
32. 2.1.4 Diffusion de données
Dans les paragraphes précédents, nous avons pu constater l’importance de l’échange
d’information entre les différents véhicules, afin de détecter et de prédire les situations
hasardeuses. La diffusion de données dans un réseau consiste à envoyer l’information
à tous les nœuds qui sont à portée, à la différence d’une transmission qui n’envoie
l’information qu’à certains nœuds, sélectionnés à l’avance. Lors de diffusion de données,
le paramètre à prendre en compte est la minimisation de la charge du réseau, afin de
relier rapidement et de manière fiable les zones ciblées. Ce système est différent du
routage de l’information, qui lui concerne la découverte des routes, leurs maintenances
ainsi que leurs optimisations.
La diffusion de données rencontre dans les VANETs plusieurs défis majeurs. En effet,
les protocoles et la conception des systèmes des VANETs doivent être capables de faire
face aux problèmes d’évolutivité et de connectivité. Le réseau doit être en mesure de
gérer correctement un réseau très chargé, mais aussi de pouvoir maintenir la connectivité
lorsque presque aucun véhicule n’est présent. De plus, il doit être capable d’effectuer le
passage de l’une de ces situations à l’autre aisément.
Comme on a pu le voir précédemment, il est nécessaire de catégoriser les messages
dans le réseau. Ce processus ne permet donc pas de garantir une bande passante pour
tous les nœuds du réseau. En cas de nécessité, si cela concerne la sécurité, un nœud
peut être déconnecté du réseau. Ces mécanismes sont essentiels pour la sécurité de tous,
mais il faut être conscient que sans aucune application de confort, le développement
des VANETs ne serait pas possible. Afin d’optimiser la diffusion de données sur le
réseau, la gestion de la bande passante doit être elle aussi étudiée. Ce n’est pas toujours
raisonnable de réduire l’usage du réseau afin de réserver une certaine bande passante
aux messages de sécurité. Pour cela les systèmes se doivent d’être adaptatifs, et le réseau
dynamique.
Il existe plusieurs autres leviers sur lesquels on peut jouer afin d’améliorer la diffusion
de l’information :
— Adapter la sélection et la transmission des nœuds ;
— Ajuster la puissance de transmission ;
— Ajuster les contraintes de durée de vie et de validité géographique des messages ;
12
33. — Prioriser les paquets pendant l’accès au support (Media Access Control (MAC)),
en créant des messages de donnés périodiques en cas d’incident, pour informer les
nœuds proches de sa vitesse, sa direction, son accélération, etc.
2.2 Contextes d’utilisation
On peut distinguer dans les réseaux véhiculaires mobiles quatre grands types d’uti-
lisations : applications de sécurité publique, coordination du trafic automobile, gestion
du trafic routier et applications de confort [5]. Cette section va les détailler.
2.2.1 Applications de sécurité publique
Le rôle des applications de sécurité publique est d’améliorer la sécurité routière, en
permettant d’éviter les accidents et les morts sur les routes. Ces applications se doivent
d’être rapides et fiables. Elles doivent être en mesure de faire suivre l’information à tous
les véhicules dans une certaine zone, appelée zone de pertinence ou Zone of Relevance
(ZOR). On distingue deux types d’applications : application d’évitement de collisions
coopératives, et messages d’avertissement d’urgence.
L’évitement des collisions coopératives a pour but d’éviter les collisions en chaines
et les possibilités de collisions en cas de dépassement sur les autoroutes, ainsi que
les collisions frontales sur les autres routes. Il est extrêmement nécessaire pour ces
applications d’être très rapide (temps de latence devant être inférieur à 100 ms), ce qui
n’est pas facile à mettre en œuvre. Idéalement ces applications devraient être capables
de prévenir toutes collisions entre véhicules équipés.
Les messages d’avertissement d’urgence peuvent être instantanés ou à long terme. Les
messages instantanés disparaissent après leurs diffusions à tous les véhicules présents
dans la ZOR, tandis que les messages à long terme restent présents dans la ZOR tant que
le danger est présent. Ces messages ont un niveau de priorité moins élevé et nécessitent
donc des temps de latence moins courts. Cependant des problèmes apparaissent lorsque
la ZOR est, soit surchargée, soit vide. En effet en cas de ZOR surchargé, les messages se
perdent, se rencontrent ou encore se bloquent, ce qui mène à une surcharge du réseau.
Dans le cas où, aucun véhicule ne transite à travers la ZOR et qu’aucune infrastructure
n’est à portée, il faut alors être en mesure de prévoir une méthode de maintien du
message dans le réseau afin qu’il ne disparaisse pas.
13
34. Ces applications devraient être pour la plupart en mesure d’accéder aux commandes
et autres capteurs du véhicule afin de les utiliser à des fins de survies. Par exemple, en
cas de freinage d’urgence, le temps de réaction du système est plus court que le temps
de réaction du chauffeur. La voiture devrait être en mesure de freiner automatiquement.
Ces applications sont importantes dans les réseaux véhiculaires mobiles et doivent être
mises en place par les développeurs du réseau, mais aussi par les manufacturiers. Elles
présentent un fort taux de danger en cas de piratage du réseau, il est donc extrêmement
important que ces applications soient hautement sécurisées. Ce point n’est cependant
pas abordé dans ce mémoire.
2.2.2 Coordination du trafic automobile
Les applications de coordination du trafic automobile sont les applications d’assis-
tances à la conduite. C’est l’analyse de l’environnement qui entoure le véhicule afin
d’apporter des informations supplémentaires au conducteur. Par exemple, lorsque le
conducteur enclenche un flasheur sur autoroute, le système serait en mesure d’alerter
le conducteur en cas de présence d’un autre véhicule sur la voie adjacente.
Malheureusement les études menées dans ce domaine utilisent très rarement les stan-
dards des réseaux véhiculaires mobiles, et préfèrent des communications plus spécifiques
de très courte portée.
2.2.3 Gestion du trafic routier
Les applications de gestion du trafic routier ont deux objectifs. Le premier est d’ap-
porter au conducteur des informations concernant le trafic routier autour de lui ou dans
un endroit précis. Ce sont des applications de planification permettant d’emprunter le
trajet le plus court vers la destination du véhicule, en prenant en compte le trafic, les
différentes routes ainsi que les obstacles ou accidents potentiellement présents sur le
trajet. Le principe est le même que pour un GPS avec l’aide des informations, en temps
réel, de tout le réseau. Le deuxième objectif est d’apporter une assistance au niveau des
intersections. En effet, en milieu urbain, c’est au niveau des intersections qu’il y a le
plus d’accidents (que ce soit avec d’autres véhicules ou bien avec des piétons) [41]. Il y a
donc beaucoup de recherche effectuée à ce sujet, surtout au niveau de la communication
avec les feux de circulation. Ces recherches sont menées dans un premier temps, afin
d’avertir le conducteur de l’état du feu lorsqu’il s’en approche, ainsi que de permettre
à la voiture de freiner toute seule en cas de négligence de la part du conducteur. Mais
14
35. on pourrait aussi imaginer le contrôle des feux par les véhicules d’urgences. C’est une
application que l’on retrouve d’ailleurs déjà dans certaines villes [42].
2.2.4 Applications de confort
Les applications de confort sont développées principalement pour divertir les passa-
gers, mais aussi à des fins publicitaires et d’information.
Les applications de divertissements permettent et/ou nécessitent un accès Internet.
Cet accès peut être effectué à des points stratégiques, comme les stations essences, ou
en remontant le réseau jusqu’à un RSU qui serait connecté. En plus de permettre la
connexion Internet, il serait possible par exemple de télécharger du contenu payant,
comme des jeux, de la musique ou des vidéos à ces points stratégiques et de pouvoir les
partager ensuite sur le réseau. C’est donc l’accès à Internet, le partage et la messagerie
inter-véhicule ou encore les jeux en réseau ou hors ligne, qui seraient permis sur le
réseau.
Les applications publicitaires sont destinées aux commerciaux présents sur les bords
des routes. Ainsi, les hôtels, restaurants, stations essences et autres commerces pour-
raient annoncer aux véhicules, dans un certain rayon autour de leur commerce, leur
présence à proximité. Les utilisateurs pourraient ainsi, lorsque nécessaires, consulter
le type de commerce présent autour d’eux et sélectionner celui correspondant à leurs
besoins.
Ces applications peuvent aussi être informatives. Par exemple, on trouve des appli-
cations de gestion du stationnement, en ville ou dans un stationnement sous-terrain,
afin d’informer le conducteur des places disponibles prêt de sa position via les données
fournies par un RSU [43]. Ce concept est illustré à la Figure 2.3.
2.3 Déploiement
Afin de pouvoir considérer un réseau véhiculaire mobile complet, il faut que tous
les véhicules soient munis d’équipements de réception et de transmission, ainsi que
d’équipements de calcul et de positionnement GPS. Dans ce contexte, les constructeurs
automobiles développent de plus en plus de véhicules possédant au moins un GPS et
un certain nombre de capteurs, tels que des radars de recul, de position, et d’autres
technologies d’aide à la conduite. C’est la première étape de la mise en place des réseaux
15
36. Figure 2.3 – Aide au stationnement grâce aux VANETs
véhiculaires mobiles. La deuxième étape, qui est déjà en cours de réalisation, est la mise
en place du réseau à petite échelle dans plusieurs villes à travers le monde. Ces réseaux
sont pour l’instant réservés aux véhicules des services publics (par exemple les voitures
de police, de pompier et les transports en commun). Les RSUs sont déployés en petite
quantité dans des endroits profitables à ce genre de véhicules (comme les arrêts de bus),
et certaines applications parallèles voient déjà le jour. Il y a par exemple la vérification
du payement de stationnement via les parcomètres qui sont connectés aux réseaux ou
encore l’interaction via une application mobile avec les utilisateurs de transports en
commun, permettant aux usagers d’obtenir des informations d’horaires ou de retards
en temps réel. L’étape ultime est de mettre en place le réseau pour l’ensemble des
automobilistes. Cette étape ne peut être réalisée que si les manufacturiers mettent en
vente des véhicules équipés, et si les consommateurs acceptent de les acheter.
Les pays et les industrielles ont mis en place un certain nombre de projets visant à dé-
ployer les réseaux véhiculaires mobiles. Ces projets sont nés rapidement après le début
des recherches sur les réseaux véhiculaires mobiles, et ce en Europe, aux États-Unis et
au Japon. La Figure 2.4 présente les principaux projets. De plus, plusieurs universités
ont déployé des projets à grande échelle. La plupart sont plus des bancs d’essai que de
véritables déploiements. On citera principalement le projet UCLA Campus Vehicular
Testbed (C-Vet) [44], créé à la University of California, Los Angeles (UCLA),Open-
Access Research Testbed for Next-Generation Wireless Networks (ORBIT) [45] à la
Rutgers University (New Jersey), Car Telecommunications (CarTel) [46] au Massachu-
setts Institute of Technology (MIT), Diesel Net [47] à la University of Massachusetts
16
37. (UMASS), ShangaiGrid [48] en collaboration avec la Shanghai Jiao Tong University
(SJTU) et le gouvernement de Shanghai, ainsi que Vanet Testbed [49] à l’Université
Nationale Chiao-Tung (NCTU) à Taïwan.
Tous ces projets ont l’objectif commun de mettre en place le futur système de trans-
port intelligent (Intelligent Transport System (ITS)). En effet, si les réseaux véhiculaires
mobiles ont été d’abord conçus pour permettre les communications entre les véhicules,
ils seront aussi utiles pour faire la collecte d’information tirée de tous les capteurs,
présents ou non dans nos véhicules. C’est le concept de «véhicule intelligent». Cette
nouvelle catégorie de véhicules serait équipée de capteurs en tout genre, capable d’ana-
lyser, de comprendre et de réagir en fonction de l’environnement qui les entoure. En plus
d’apporter des mesures de sécurité (freinage d’urgence automatique ou encore blocage
du volant lors d’un changement de file sur autoroute si la file est occupée), ces véhi-
cules seront en mesure de récolter des informations de pollution, de météo, et d’autres
données en tout genre, afin de les analyser.
Les véhicules sont équipés d’un ou plusieurs transmetteurs. Pour la plupart des pro-
jets, les véhicules sont équipés de deux émetteurs, un réservé pour émettre sur le canal
de contrôle, ou Control Channel (CCH) en anglais, et le deuxième pour émettre sur les
canaux de services, appelés Service Channel (SCH) en anglais. De plus, ils sont équipés
d’un ordinateur de bord afin de pouvoir traiter l’information. Sur les bancs d’essai, tous
ces équipements sont souvent installés dans le coffre ou à la place du siège passager. Un
convertisseur de puissance est la plupart du temps nécessaire afin de pouvoir fournir
suffisamment d’énergie aux différents équipements. Les véhicules d’essais ont souvent
à leur bord un écran de contrôle. On peut facilement imaginer que l’ordinateur dédié
au réseau sera intégré à l’ordinateur de bord, et l’écran de contrôle sera une fonction
de l’afficheur de cet ordinateur, à travers une interface personne-machine simple et
conviviale.
2.4 Modèle de Mobilité
Dans cette section, nous allons commencer par présenter les environnements pour
lesquelles les modèles de mobilité doivent être développés. Nous présenterons ensuite les
principaux modèles qui peuvent être séparés en trois groupes : les modèles analytiques,
les modèles physiques ainsi que les modèles empiriques et pilotés par les données.
17
38. Figure 2.4 – Principaux projets de déploiements et de tests
2.4.1 Environnement de Mobilité :
Les environnements de mobilité se divisent en deux parties : les autoroutes et les
villes. Sur les autoroutes, les automobilistes ne peuvent se déplacer que dans deux
directions sur plusieurs voies. On peut regrouper les automobilistes et considérer des
nœuds entrants et sortants au niveau des intersections. Les RSUs doivent être puissants
et bidirectionnels. Dans les villes, le modèle de mobilité est différent, les véhicules
peuvent tourner très souvent, les unités de bords de routes (RSUs) sont beaucoup plus
présentes (à condition de considérer un réseau grandement déployé avec des RSUs sur
chaque feu de circulation, parcomètres, et autres infrastructures). On peut cependant
identifier ici encore des patrons de déplacement, en fonction des heures de la journée
18
39. ou encore des statistiques de circulations.
Afin d’être le plus réaliste possible, un modèle de mobilité doit être en mesure de
connaitre le nombre de voies de chaque route ainsi que leurs directions. De plus, la
vitesse, l’accélération et la décélération des véhicules doivent aussi être considérées en
fonction du type de route sur lesquels les véhicules circulent. Ensuite, les modèles de
mobilités doivent prendre en compte l’heure de la journée ainsi que la météo, afin de
simuler l’état du trafic dans ces conditions. Le modèle de mobilité devrait aussi être
capable de prendre en compte les obstacles à la mobilité, mais aussi à la communication
sans fil, présents sur le réseau. On pense en premier lieu à l’effet gratte-ciel qui empêche
la bonne diffusion du signal GPS dans les grandes villes. Enfin, le modèle ne doit pas
se contenter de prendre en considération seulement les véhicules automobiles. En effet,
les conducteurs réagissent à l’environnement qui les entoure : en cas d’obstacle sur la
route ou de confrontation avec des piétons, par exemple.
2.4.2 Modèles analytiques :
Les modèles analytiques sont divisés en deux groupes, les modèles individuels ainsi
que les modèles de groupes.
1. Modèles individuels :
a) Dans le modèle de mobilité Random Waypoint (RWP), les nœuds bougent
aléatoirement, n’importe où, sans aucune restriction. La destination, la vi-
tesse ainsi que la direction sont choisies aléatoirement, indépendamment pour
chaque nœud. Ces choix sont effectués toutes les x secondes, avec x choisi
aléatoirement, ou bien lorsqu’un nœud a atteint la destination précédente.
Dans ce modèle très simpliste, les nœuds ont tendance à se rassembler ou à
passer régulièrement par le centre de la carte. De plus, aucune route ne peut
être simulée dans ce modèle. C’est un des modèles les plus simples et facile
a implémenter de la littérature.
b) Random Walk (RW) est une version discrète de mouvement Brownien (Mou-
vement aléatoire d’une grosse particule dans un fluide). Dans ce modèle on
peut placer des frontières sur lesquelles les particules rebondissent, cepen-
dant, il subit les mêmes problèmes que RWP.
c) Random Direction Model (RD) est une amélioration du modèle RWP. Ce
modèle évite le phénomène de rassemblement/passage par le centre. Dans ce
cas la vitesse, direction et destination ne sont pas choisie aléatoirement dans
19
40. le temps, ils sont reconfigurés aléatoirement une fois que le nœud a atteint
sa destination ou bien lorsqu’il a atteint un des bords de la carte. Le choix
de la destination, de la vitesse et de la direction sont choisis ici en fonction
du nombre des voisins.
d) Restricted RWP permet de simuler un modèle un peu plus réaliste. Des zones
sont définies, correspondant à des villes. Chaque nœud se déplace alors un
nombre de fois aléatoire dans une ville suivant le RW, puis change de ville
et recommence.
e) Les modèles basés sur des graphes utilisent des mouvements par contraintes.
Le véhicule ne peut se déplacer que selon les arêtes et les bords définis par la
carte. Cela permet une bonne simulation des villes, des routes entre les villes,
des autoroutes, etc. C’est donc très intéressant pour simuler le réseau routier.
De plus dans ce cas, les trajectoires des nœuds se limitent naturellement aux
routes fréquemment utilisées. Pour Graph-based, le véhicule choisit le chemin
le plus court entre sa position et sa destination, et s’y déplace suivant les
contraintes du graphe.
f) Dans le modèle Freeway, la vitesse du nœud dépend du nœud situé devant
lui, et ne peut pas être plus grande que cette dernière. Une fois sur une voie,
le véhicule ne peut pas en changer. C’est donc un modèle assez limité.
g) Dans le modèle Manhattan les nœuds se déplacent sur une grille et possèdent
une probabilité de tourner à droite ou à gauche égale (25 %). Les 50 %
restants sont la probabilité de continuer tout droit. Ce modèle subit les
mêmes contraintes de vitesses que le modèle Freeway. C’est un modèle très
connu de la littérature pour les réseaux véhiculaires mobiles.
h) Dans le modèle Obstacle, les véhicules se déplacent suivant Restricted RWP
dans un graphe défini en fonction des bâtiments présents. Cependant des
améliorations sont à apporter à ce modèle afin que les véhicules ne puissent
pas se retrouver au milieu d’un bâtiment.
2. Modèles de groupes :
a) Exponentially Corellated créé des mouvements aléatoires en vitesse, desti-
nation et direction, non plus individuellement, mais par groupe. C’est un
modèle très simpliste.
b) Le modèle Colonne définit une ou plusieurs références parmi les nœuds du
réseau. Les autres nœuds du réseau se déplacent alors suivant un modèle
20
41. singulier autour de la référence la plus proche. Les références ne se déplacent
que vers l’avant, d’où le nom de Colonne.
c) Dans le modèle de Communauté Nomade, les nœuds se déplacent autour
d’une seule référence qui se déplace sur la carte suivant un modèle singulier.
Le déplacement se fait donc en groupe sur la carte.
d) Le modèle Purse utilise une référence, suivie par le groupe qui essaye de la
rattraper à la manière de Policier / Voleur. La référence se déplace là encore
suivant un modèle singulier.
e) Reference Point Group Mobility model (RPGM) est la référence la plus in-
téressante des modèles de groupes. Une hiérarchie existe au sein des nœuds
du réseau. Chaque groupe possède plusieurs références dont une agit comme
centre logistique de groupe. Elle contrôle le mouvement de toutes les autres
références du groupe. Les autres nœuds se déplacent de manière singulière
autour d’une référence. Ce modèle est très utilisé dans la littérature.
2.4.3 Modèles physiques :
Les modèles physiques sont des modèles qui ont été observés dans la réalité et modé-
lisés afin de créer un modèle fidèle à la réalité. Ces modèles ont surtout été développés
pour les mouvements de populations (piétons). On peut en citer plusieurs : Heterogenous
Random Walk, Sociological InteractionMobility for Population Simulation (SIMPS),
Self-Similar Least-Action Walk (SLAW), etc. Par exemple, SIMPS utilise deux modes
de déplacement ; le mode sociable, et le mode isolation. En fonction de l’état du nœud, il
va être attiré ou repoussé par les autres nœuds à la manière d’un aimant. Ces modèles ne
sont pas très intéressants pour les réseaux véhiculaires mobiles, car ils reflètent plus les
déplacements des piétons que ceux de véhicules. On peut tout de même noter le Modèle
de la colonie de fourmis, qui est un modèle copiant le comportement des fourmis qui
cherchent de la nourriture. Ce modèle a été aussi testé pour un protocole de routage [50].
2.4.4 Modèles empiriques et pilotés par les données :
Les modèles énoncés précédemment sont trop simplistes pour permettre aux cher-
cheurs de faire des simulations réalistes. Il était cependant important de les présenter
car ils sont souvent utilisés comme modèle de base dans les simulateurs existants.
21
42. Les modèles les plus utilisés par les chercheurs pour les réseaux véhiculaires mobiles
sont les modèles empiriques, créés à partir de jeux de données de déplacement enre-
gistrés sur les routes. Il existe plusieurs bases de données qui permettent d’accéder à
ce genre de renseignement. Une des plus connues en Amérique du Nord est la base
de données Topologically Integrated Geographic Encoding and Referencing (TIGER),
entretenue par l’US Census Bureau [51]. Ces données sont extraites du monde réel avec
des contraintes graphiques. La littérature propose de plus en plus de simulateurs de
mobilité. Cependant le principal problème est qu’ils sont de plus en plus difficiles à
utiliser et à configurer du fait de la complexité du problème. En effet, énormément de
paramètres sont à prendre en compte si l’on veut pouvoir recréer un modèle suffisam-
ment réaliste. Récemment, un nouveau type de rendu de la mobilité très réaliste est
apparu, obtenu à travers le Multi-agent Microscopic Traffic Simulator (MMTS), qui est
capable de simuler le trafic public et privé à travers des cartes très réalistes de routes
régionales de la Suisse [52, 53].
2.5 Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons vu les caractéristiques principales et spécifiques des
réseaux véhiculaires mobiles. Nous avons détaillé les technologies de transmissions, les
contextes d’applications, et aussi présenté des concepts plus généraux tels que la modé-
lisation des communications dans les VANETs ou les concepts de mobilité, qui seront
très importants lors des phases de développement et de tests.
Le chapitre suivant va nous présenter une analyse complète du problème de routage
de l’information dans les réseaux véhiculaires mobiles.
22
43. Chapitre 3
Analyse du problème de routage
Dans ce chapitre, nous effectuons une analyse du problème de routage de l’informa-
tion dans les réseaux véhiculaires mobiles (VANETs). Nous allons donc introduire les
protocoles de routages que l’on retrouve principalement dans la littérature. Ensuite,
afin de préparer le lecteur au Chapitre 4, qui présente la mise en œuvre et les résultats,
nous allons présenter le principe de fonctionnement du protocole que nous avons utilisé
pour notre recherche, et nous analyserons ensuite les paramètres à prendre en compte
lors de l’établissement ou l’évaluation d’un protocole de routage : les métriques d’envi-
ronnement et de performances ainsi que les modèles de trafic et de propagation. Nous
présenterons ensuite une formulation du problème ainsi qu’une analyse des solutions.
3.1 Protocoles de routages dans les VANETs
Afin de présenter les principaux protocoles de routages dans les VANETs, nous avons
choisi de commencer par faire une classification des différents protocoles existant dans
la littérature. La section suivante présente donc ces différentes méthodes de routages
introduisant ainsi les cinq sections suivantes, qui développe les quelques protocoles que
nous avons choisi de présenter. En effet, un grand nombre de protocoles de routage
existent dans la littérature [26, 54–59], nous n’avons donc pas pu tous les retenir. C’est
aussi dans ce but que nous avons choisi de commencer par une classification.
23
44. 3.1.1 Classification
La classification que nous vous présentons est illustrée à la Figure 3.2. Cependant,
elle est issue d’une première analyse du routage de l’information, qui est la suivante :
le routage de l’information consiste à diriger les messages du nœud source vers le ou
les nœuds destinataires, à travers le réseau. Les communications peuvent se faire de
deux manières différentes, directement avec un seul saut (single-hop) ou par étape avec
plusieurs sauts (multi-hop). Avec un seul saut, la source et la destination sont en fait
connectées directement l’un avec l’autre, tandis qu’avec plusieurs sauts, la communica-
tion se fait via l’intermédiaire des nœuds positionnés entre la source et la destination.
Chaque fois que le message passe d’un nœud à un autre, il se déplace d’un saut. Lors
d’une communication multi-sauts, le chemin est choisi en fonction de divers facteurs tel
que sa longueur, sa bande passante, ou encore sa durée de vie. Cela est valable pour
n’importe quel type de routage qui seront présentés ci-dessous.
Ensuite, il existe deux classes de protocoles de routage :
1. le routage Proactif : Les nœuds maintiennent en permanence des tables de routage
afin de connaitre la topologie du réseau en tout temps ;
2. le routage Réactif : Les nœuds construisent une table de routage seulement lors-
qu’un nœud voisin en fait la demande ou qu’il doit démarrer une transmission.
Ils ne connaissent donc pas la topologie du réseau lorsqu’ils sont inactifs.
On peut noter que des techniques de type hybrides existent, par exemple, le protocole
ZRP (Zone Routing Protocol) [60]. Ce protocole crée des groupes d’utilisateurs. Le
routage se fait de façon réactive au sein du groupe, et il se fait de façon proactive entre
les différents groupes. Ces classes de protocoles coexistent au sein des différents types
de routage, mais nous remarquerons pour les VANETs que c’est le routage réactif qui
est le plus utilisé.
Les différents types de routages sont les suivants :
1. le routage Unicast : l’information transite d’un nœud source vers un nœud desti-
nataire ;
2. le routage Multicast/Geocast : l’information est transmise d’un nœud source vers
plusieurs nœuds destinataires précis (Multicast), ou a tous les destinataires pré-
sents dans une zone géographique donnée (Geocast) ;
3. le routage de type Broadcast : L’information du nœud source est envoyée à tous
les nœuds présents autour de ce dernier.
24
45. La Figure 3.1 résume ces concepts.
(a) Unicast (b) Multicast
(c) Geocast (d) Broadcast
Figure 3.1 – Les différents types de routages
Ainsi, nous avons divisé les différents protocoles de routages dans les VANETs sui-
vant les trois grands types de routage, et nous avons distingué aux protocoles unicasts,
en fonction des spécificités des réseaux véhiculaires mobiles et des protocoles qui ont
été créés pour eux, trois sous-catégories : les protocoles Ad-hoc, les protocoles basés
sur la position et les protocoles de groupes. Dans toutes ces catégories de routage, la
source a été définie unique vers un ou plusieurs destinataire (one-to-many). Cependant,
il est possible dans certains cas qu’un nombre multiple de nœuds sources émettent des
paquets de données à plusieurs destinations (many-to-many). Ce type de transmission
25
46. est utile pour le téléchargement de données volumineuses, ou par l’utilisation d’appli-
cations spécifiques, comme pour la visioconférence par exemple. Les sections suivantes
vont présenter un aperçu des principaux protocoles que l’on retrouve dans chacune de
ces catégories (cf. Figure 3.2).
Figure 3.2 – Classifications des protocoles de routages dans les VANETs.
3.1.2 Protocoles Unicast Ad-hoc et leurs adaptations pour les
VANETs
Dans la littérature, quatre protocoles reviennent de façon récurrente lorsque l’on
parle de réseau ad-hoc mobile. Deux sont proactifs, Dynamic destination-Sequenced
Distance Vector (DSDV) [61] et Optimized Link State Routing Protocol (OLSR) [62],
et les deux autres sont réactifs, Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV)
[63] et Dynamic Source Routing (DSR) [64]. Nous allons maintenant les décrire.
DSDV : Utilisation de l’algorithme de Bellman-Ford afin de trouver le chemin optimal
du nœud source au nœud destinataire. La mise à jour des tables se fait en fonction du
temps (de façon périodique grâce à des timers), ou en fonction d’événement (mauvais
débit de connexion, délais trop élevés, liens qui disparaissent).
OLSR : Ce protocole définit des nœuds qu’il nomme «multi-relais», seuls ces nœuds pos-
sèdent les tables de routage complètes. Cela réduit la diffusion excessive et le gaspillage
de la bande passante par rapport au protocole DSDV.
AODV : Ce protocole a été développé pour les MANETs. Lorsqu’un nœud doit com-
mencer une transmission, AODV diffuse un paquet de découverte de façon broadcast.
La destination va utiliser le chemin emprunté par le premier paquet de découverte qui
26
47. l’a atteint. Il envoie alors un paquet réponse afin d’annoncer ce chemin à la source.
L’envoi de données peut alors commencer. En cas de disparition d’un lien sur le chemin
choisi, un paquet d’erreur est généré.
DSR : Reprends le principe de DSDV (notamment l’algorithme de Bellman-Ford), mais
construis les tables de routages de façon réactive, et se basent sur l’état des liens. En
effet, la modification de la table se fait seulement lorsque l’état des liens varie. De plus,
il copie l’ID des nœuds traversé dans l’en-tête du message, permettant ainsi au message
de retrouver son chemin vers la source. Il peut ainsi choisir des routes alternatives s’il
les considère comme meilleures, et possède ainsi une réactivité plus rapide que celle
d’AODV en cas de perte de liaison avec un nœud.
Par la suite, les chercheurs ont tenté d’améliorer les performances des protocoles
présentés précédemment afin de mieux les adapter aux réseaux véhiculaires mobiles qui
présentent des spécificités qui leurs sont propres. En effet, DSDV, OLSR, AODV et
DSR présentent des performances pour les VANETs qui sont assez pauvres. Ainsi, des
protocoles tels que Predicted AODV (PR-AODV) et PR-AODVM (M pour maximisé)
[7] ont été créés. Ces protocoles sont des modifications du protocole AODV pour les
VANETs. Ils utilisent les informations de localisation ainsi que de vitesse des différents
véhicules afin d’évaluer la durée de vie du lien. Cela permet ainsi au réseau de créer une
nouvelle route avant la fin de vie du lien, contrairement au protocole AODV qui attendra
que la liaison soit coupée avant de rechercher une nouvelle route. PR-AODVM choisit
la route avec la plus grande durée de vie, différemment de PR-AODV qui choisirait de
façon plus classique la route la plus courte ou la plus rapide. On constate une nette
augmentation des paquets délivrés grâce à ces protocoles, cependant ils sont dépendants
de la validité de la prédiction de la durée de vie du lien. Or le réseau est très dynamique,
la prédiction n’est donc pas toujours facile à calculer et peut donc être faussée.
3.1.3 Protocoles Unicast de groupe
Le routage par groupe, aussi appelé «Cluster-based Routing» est une technique effi-
cace sur les autoroutes. Elle consiste à créer des sous-réseaux virtuels tel que le montre
la Figure 3.3 [54]. Chaque groupe élit à sa tête un nœud leader, qui va s’occuper de
gérer la coordination et le management de communications inter et intra-groupes. Dans
un groupe, les communications ne peuvent être que directes (1-hop).
27
48. Figure 3.3 – Cluster-based Routing
Les deux principaux protocoles basés sur les groupes dans les VANETs sont Clustering
for Open Inter-vehicular communication Networks (COIN) [8] ainsi que le protocole
Location Routing Algorithm with Cluster-Based Flooding (LORA_CBF) [9]. COIN
élit la tête du groupe en fonctions des données de déplacement du véhicule et prends
en compte la distance entre les véhicules. Le deuxième, LORA_CBF défini, en plus des
têtes de groupes, des nœuds ponts. Ces nœuds sont chargés de faire la liaison entre les
différents groupes, tandis que le nœud tête ne gère que la distribution du message dans
le groupe. Cela permet une augmentation de la mobilité. Cette méthode est adaptée
aux grands réseaux, à la différence d’AODV et DSR.
Les protocoles de routage par groupe sont donc souvent de bonne qualité, à une
condition ; que le réseau ne soit pas trop dynamique, c’est-à-dire sur autoroute. En
effet, en ville, il est difficile de maintenir les différents groupes. Les protocoles d’accueil
d’un nouveau membre sont gourmands en coût de gestion du réseau (overhead).
3.1.4 Protocoles Unicast basé sur la position
L’idée de protocole basé sur la position pour les VANETs vient naturellement lorsque
l’on considère leurs spécificités. En effets, les déplacements des véhicules sont limités par
les routes et l’environnement. On peut donc sans trop de difficulté effectuer un graphe
en deux dimensions en utilisant les données de positionnement des véhicules afin de
trouver le meilleur chemin de routage de l’information entre la source et la destination.
Dans les VANETs, la plupart des protocoles utilisent les données de position. Comme
on a pu le voir ci-dessus, les protocoles provenant des réseaux ad-hoc sont améliorés en
ajoutant les données de positionnement des véhicules. On a donc voulu tirer avantage
des spécificités des VANETs en exploitant les coordonnées GPS ainsi que l’utilisation
de modèles de mobilités et autres capteurs «on-board». Cette section décrit quelques
28
49. protocoles dont les algorithmes se basent sur les données GPS afin de transmettre
l’information dans le réseau.
Le protocole basé sur la position le plus connue est GPSR [10]. Il repose sur deux
algorithmes différents : le routage «gourmand» (de l’anglais «Greedy»), qui consiste à
envoyer l’information non pas au nœud le plus proche, ni au dernier nœud dans la zone
de transmission, mais au nœud situé le plus proche de la destination ; soit le nœud E
sur la Figure 3.4 [65].
Figure 3.4 – Greedy Routing
On appelle «minimum local» un nœud qui ne possède pas d’intermédiaire plus proche
de la destination que lui-même. En cas de minimum local, GPSR fait appel au Face
Routing, qui transmet l’information de la source à la destination en essayant de rester
le plus proche possible de la ligne imaginaire tirée entre la source et la destination, tel
que le montre la Figure 3.5 [65].
Figure 3.5 – Face Routing
29
50. Beaucoup de protocoles utilisés dans les VANETs se basent sur le concept de routage
gourmand apporté par GPSR, et tentent d’en améliorer les performances.
Le protocole Greedy Perimeter Coordinator Routing (GPCR) [11], place des nœuds
appelés «Coordinateurs» aux intersections. Ainsi le message, une fois arrivé aux abords
de l’intersection, n’est plus envoyé de façon gourmande, mais au coordinateur. Cela
permet d’éviter un grand nombre de situations de minimums locaux rencontrés avec
GPSR. On remarque sur la Figure 3.6 [54], que N3 est un minimum local du protocole
GPSR. Grâce à GPCR, le message est envoyé à C1, le nœud coordinateur, qui lui n’est
plus un minimum local.
Le protocole de routage GPSRJ+ [12] est basé lui aussi sur GPSR, mais il prend en
compte les voisins de deuxième niveau. S’il existe un voisin allant vers la destination et
a portée, le message lui est directement envoyé. Sinon, il utilise la méthode de GPSR
de façon normale. Cela réduit le nombre de sauts lors des transmissions et augmente le
ratio de livraison des paquets. En revanche, ce protocole rencontre des problèmes avec
les applications sensibles aux délais : cela prend du temps d’aller chercher et analyser
les données des voisins de second niveau.
Figure 3.6 – GPCR Routing
Une autre technique de routage unicast dans les VANETs consiste à placer des
«ancres» à des points stratégiques (intersection ou accidents par exemple). Ils néces-
sitent donc une connaissance de la carte, ce qui peut être vu comme un inconvénient.
Plusieurs protocoles utilisent cette technique, tel que Anchor-based Street and Traffic
Aware Routing (A-STAR) [13], Connectivity Aware Routing protocol (CAR) [15] ou
encore Diagonal Intersection based Routing protocol (DIR) [14].
30
51. 3.1.5 Protocoles Broadcast
Les protocoles basés sur la diffusion (broadcast) ne sélectionnent plus un nœud en
particulier à qui transmettre l’information. Elle est envoyée du nœud source vers tous
les nœuds du réseau. Cette méthode est beaucoup utilisée dans les VANETs, et utilise le
plus souvent la méthode d’inondation («flooding» en anglais). Cette méthode consiste
à envoyer le message à tous les nœuds qui sont à portée de transmission, et chaque
nœud réitère l’opération pendant un temps donné. L’inondation est efficace dans des
réseaux de petite taille, mais mène rapidement à une surcharge du réseau lorsque celui-
ci est grand. En effet, les messages sont envoyés et reçus plusieurs fois par les mêmes
nœuds de façon tout à fait inutile. Les protocoles proposés pour les VANETs utilisent
la méthode d’inondation, tout en essayant d’en corriger les inconvénients.
On peut citer ici le protocole BROADCOMM [16], qui crée des clusters temporaires,
et les messages sont disséminés en n’utilisant l’inondation qu’entre les nœuds qui sont
les têtes de groupes. Ces nœuds se chargent alors de retransmettre l’information au sein
de leurs groupes respectifs.
D’autres, comme Vector-based TRAcking DEtection (V-TRADE) et History-enhanced
V-TRADE (HV-TRADE) [17], utilisent la position ainsi que le mouvement des nœuds.
Ils divisent le réseau en plusieurs petites zones et sélectionnent ensuite les nœuds aux
frontières de ces zones de transmission, puis les inondent en rapportant le message au
centre.
Un protocole qui n’utilise pas la méthode d’inondation est le protocole Distributed
Vehicular Broadcast (DV-CAST) [18]. Ce protocole contrôle l’état des véhicules voisins
(données locales). Cela permet de connaître la vitesse et la direction des véhicules aux
alentours.
Secure Ring Broadcasting Routing Protocol (SRB) [19] lui, réduit le nombre de trans-
missions et augmente la stabilité des routes. Pour cela, il divise les véhicules du réseau
en trois groupes en fonction de leurs distances au nœud qui transmet : les véhicules
près, les véhicules loin et les véhicules à distance désirable. Il ne transmet l’information
qu’au véhicule appartenant à ce dernier groupe.
31
52. 3.1.6 Protocoles Multicast et Geocast
Les protocoles Multicast / Geocast diffusent le message, non plus d’une source vers
un destinataire (Protocole Unicast), ou plusieurs destinataires (Protocole Multicast),
mais d’une source vers une destination géographique. La zone desservie peut aller de
quelques mètres à plusieurs kilomètres. Le plus souvent, la méthode utilisée sera l’inon-
dation, mais de façon localisée dans la Zone of Relevance (ZOR). Là encore, la plupart
des protocoles tentent de réduire la surcharge du réseau causé par l’inondation. Nous
présentons ci-dessous quelques protocoles utilisant ces principes.
Le protocole Inter Vehicular Geocast (IVG) [20] met en place un temps d’attente
avant de rediffuser les messages. Si durant ce temps d’attente il ne reçoit pas à nouveau
ce même message, alors il le transmettra aux nœuds qui l’entourent. Ce temps d’attente
est proportionnel à la distance entre le nœud dont il a reçu le message et lui-même. De
plus, il limite le nombre de sauts qu’un message peut effectuer. Cached Geocast [21]
ajoute des informations dans l’en-tête du message en cas de rencontre d’un minimum
local. Cela permet d’éviter de repasser par cette route. Il prend en compte les change-
ments fréquents de voisinages. Afin d’éviter la perte de connexion au moment ou un
nœud sort de la zone de transmission du nœud source, le rayon de transmission réel est
choisi inférieur au rayon de transmission possible. Spatiotemporary Multicast/Geocast
Routing Protocol [26], est un des seuls protocoles à utiliser en plus des variables de
distance et de déplacement, la variable temps. Ajouté à la ZOR, cette variable permet
de transmettre les messages seulement si le véhicule est dans la ZOR à un temps t,
sinon le message n’est pas transmis. Le même processus est mis en place pour la Zone
of Forawarding (ZOF) : zone dans laquelle les nœuds qui reçoivent le message sont
autorisés à le retransmettre.
3.2 Principe de fonctionnement du protocole AODV
Le protocole Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing (AODV) [63], utilise
quatre types de messages afin de construire et contrôler l’état des liens lors d’une
communication : RREQ, RREP, HELLO et RERR. Le message de requête (RREQ) est
diffusé par le nœud source afin de découvrir le réseau. Le message de réponse (RREP)
est initié par le nœud destination ou par un nœud qui connait le chemin jusqu’à la
destination afin de rapporter à la source les informations à propos du chemin choisi.
Ce processus est illustré à la Figure 3.7. Ensuite, les messages HELLO permettent de
contrôler l’état de chaque lien de la route établie. Les messages HELLO sont générés
32
53. seulement par les nœuds qui font déjà partie de cette route et ont une durée de vie d’un
seul saut. Trois messages HELLO sont envoyés simultanément, de manière périodique
entre chaque pair de nœuds de la route choisi. En cas de non-réception d’un de ces trois
messages, le lien est considéré comme non-utilisable et un message d’erreur (RERR)
est initié par le nœud qui l’a découvert. Ce concept est illustré à la Figure 3.8.
Figure 3.7 – Méthode de construction d’une route
Un paquet, qu’il soit de données ou de contrôle (par exemple les messages RREP et
RREQ utiliser pour établir la route), possède un numéro d’identification unique. Ce
numéro est dépendant du temps : le paquet avec le numéro le plus élevé est le paquet
le plus récent. On appelle cela le numéro de séquence. Ce procédé est très utile pour
le routage de l’information. Par exemple, si le nœud source reçoit plusieurs réponses,
il choisira d’écouter celle qui possède la route la plus à jour (c’est-à-dire celle qui a
le numéro de séquence le plus élevé). De plus, dans le cas de réseaux VANETs où la
mobilité est élevée, et l’état des liens est souvent modifié, ce procédé est très utile.
Le protocole AODV utilise le principe des numéros de séquences afin de contrôler si
les liens utilisés pour atteindre la destination sont suffisamment à jour. Chaque nœud
possède un numéro de séquence qu’il incrémente à chaque fois qu’il reçoit des informa-
33
54. Figure 3.8 – Principe de détection d’un lien défaillant
tions utiles de la part des messages RREQ, RREP ou RRER. Cela permet à chaque
nœud du réseau de valider si la route qu’il connait vers la destination est bien la bonne.
Lors de la réception d’un message RREQ ou RREP, les nœuds exécutent une série de
vérification afin de contrôler que la table de routage qu’il possède est la meilleure. Ces
décisions sont prises en fonction du numéro de séquence ainsi que du nombre de sauts
entre le nœud et la destination. Les figures 3.9 et 3.10 présentent des organigrammes
afin d’illustrer les décisions prises par un nœud lorsqu’il reçoit un de ces messages. En
résumé, le nœud qui reçoit le message (A sur les figures) compare les données de sa
table de routage avec les données du message et agit ensuite en conséquence.
34
55. 3.3 Paramètres
Afin de concevoir et d’évaluer les performances d’un protocole de routage, plusieurs
paramètres sont à prendre en compte. Ce sont les métriques d’environnement et de
performances, ainsi que le modèle de propagation et le modèle de trafic. Cette section
va les détailler.
3.3.1 Métriques d’environnement
Les métriques d’environnement sont les paramètres qui définissent le contexte dans
lequel les véhicules circulent, ainsi que les éléments qui caractérisent leurs déplacements
[66]. Cela prend en compte :
1. Le type de route (ville, autoroute, campagne) ;
2. Les obstacles au déplacement des véhicules (par exemple les arrêts ou les feux de
circulation) ;
3. Les différents obstacles présents dans l’environnement de simulation (par exemple
les bâtiments ou le paysage) ;
4. Les paramètres de déplacement des véhicules (comme leur vitesse, leur accéléra-
tion et décélération, les limitations de vitesse, ou encore la densité de véhicules) ;
5. Les distances entre les véhicules ;
6. Les paramètres de sécurité (par exemple la décélération maximum et la distance
d’arrêt d’un véhicule en cas d’urgence) ;
7. Les obstacles mobiles : un véhicule peut faire obstruction à la communication
entre deux autres véhicules.
Ces différentes métriques d’environnement sont des paramètres dont certains peuvent
être fixés pour toutes les simulations (comme le type de route ou les obstacles fixes)
ou choisis pour chaque simulation (le nombre de véhicules et la vitesse de déplacement
des véhicules par exemple). Le point 7, lui, ne peut pas être fixé. C’est un paramètre à
prendre en compte lors des simulations.
35
56. 3.3.2 Métriques de performances
Afin d’évaluer correctement un protocole de routage, il est important de prendre en
compte un certain nombre de métriques de performances. On peut les classer en deux
catégories : les métriques de performances telles que le délai moyen de bout en bout, le
ratio de livraison des paquets et le débit, et les métriques de contrôle, tel que nombre
de sauts moyen et le taux d’information de contrôle.
1. Le délai moyen de bout en bout, c’est-à-dire la mesure du délai entre l’envoi
du message par le nœud source et sa réception par le nœud destinataire, est le
paramètre principal que l’on vise à améliorer lors de l’évaluation d’un protocole
de routage. Un bon protocole à des délais moyens de bout en bout qui sont les
plus bas possible. Le délai moyen de bout en bout d’un paquet i entre une paire
de nœuds Source-Destinataire est :
D_AETEi = T_DataRi − T_DataSi (3.1)
Avec D_AETE le délai moyen de bout en bout, T_DataR le temps au moment
de la réception du paquet par le nœud destinataire D, et T_DataS le temps au
moment de l’émission du paquet par le nœud source S. On fait ensuite la moyenne
pour chacun des paquets envoyés par chaque pair de nœuds tout au long de la
simulation, afin d’obtenir le délai moyen de bout en bout, soit :
D_AETE =
1
N
N
X
i=1
(T_DataRi − T_DataSi) (3.2)
Avec N, le nombre total de paquets reçus pendant la simulation.
2. Le taux de livraison des paquets : Packet Delivery Ratio (PDR) calcul le rapport
entre le nombre de paquets reçus par le nœud destinataire et le nombre de paquets
envoyés par le nœud source. Le PDR est compris entre 0 et 1. On le calcul pour
chaque pair de nœuds Source-Destinataire puis on fait la moyenne. On peut le
multiplier par 100 si l’on souhaite obtenir un pourcentage. L’équation finale du
calcul du PDR est la suivante :
PDR =
1
C
C
X
1
nombre de paquets reçu
nombre de paquets envoyés
(3.3)
36
57. avec C le nombre de paires Source-Destination ayant communiqué pendant la
simulation.
3. Le débit (Throughput), correspond au ratio entre le nombre de paquets envoyés
et le temps qui a été nécessaire à leurs transmissions. Afin de l’exprimer, on utilise
la taille des paquets en bits. Le résultat est donc en bits/secondes. Le standard
DSRC/WAVE annonce des débits théoriques allant de 3 à 27 Mbits/s dans un
rayon de 1 000 m autour du véhicule source [32]. On calcul le débit moyen pour
toute la simulation à l’aide de la formule suivante :
Debit =
n
X
i=1
taille du paqueti
treception − temission
(3.4)
avec n, le nombre de paquets de données qui ont été reçus par les nœuds destina-
taires.
4. Le coût de gestion du routage normalisé : Normalized Routing Overhead (NRO),
est un ratio qui permet d’obtenir une bonne évaluation de la bande passante
utilisée par les paquets de données qui ont atteint leurs destinations. En effet,
c’est le ratio du nombre de paquets de contrôle transmis par rapport au nombre
de paquets de données reçus :
ρ =
PN
i=1 Ci
PN
i=1 Ci +
PN
i=1 Di
(3.5)
Avec i le numéro d’identification du paquet, Ci le paquet de contrôle i, Di le
paquet de données i ayant atteint la destination et ρ le coût de gestion normalisé.
5. Le nombre de sauts moyen entre la source et la destination. C’est la moyenne
du nombre de sauts qu’il a été nécessaire de réaliser pour chaque paquet afin
d’effectuer le chemin entre la source et la destination, ou en d’autres termes, le
nombre de nœuds que le paquet a traversé avant d’atteindre la destination.
Ces différentes métriques permettent d’évaluer de façon globale la validité d’un proto-
cole de routage dans un réseau.
37
58. 3.3.3 Modèle de trafic
Le trafic multimédia doit être généré par le simulateur. Dans un réseau, plusieurs
protocoles sont utilisés en fonction du type de trafic nécessité par l’utilisateur (voix,
données ou vidéo). Un des protocoles les plus connus est le protocole File Transfer Pro-
tocol (FTP). Il est surtout utilisé afin de transférer des données entre les utilisateurs.
Lors d’une simulation d’un réseau, un protocole très utilisé est le protocole Constant
Bit Rate (CBR). Il génère un trafic constant que l’on peut choisir en fixant deux pa-
ramètres : la taille des paquets émis, ainsi que le taux de transmission de ces paquets.
Les performances obtenues avec ce protocole permettent de se faire une bonne idée des
services qui vont pouvoir être utilisés par le réseau simulé. Ce protocole est utilisé au
niveau application du modèle OSI [67].
Au niveau de la couche transport de ce modèle, les protocoles Transmission Control
Protocol (TCP), User Datagram Protocol (UDP) ou encore Real-time Transfer Protocol
(RTP) peuvent être modélisé avec le simulateur que nous utilisons. Tous ces protocoles
sont détaillés dans le manuel d’utilisation du simulateur [68].
Pour le modèle de file d’attente, les méthodes de gestions de file d’attente proposées
par le simulateur sont principalement : DropTail (First In First Out (FIFO)), Random
Early Discard buffer management (RED), Class Based Queuing (CBQ), Fair Queuing
(FQ), Deficit Round Robin (DRR), ou encore Joint Buffer Management Scheduling
(JoBS). Ces méthodes ne seront pas décrites ici. Peu de protocoles nous donnent la
méthode utilisée, et beaucoup utilisent la méthode la plus simple de FIFO qui consiste
à envoyer en premier les paquets qui sont arrivés en premier.
Les modèles de la couche physique, de la couche liaison et de la sous-couche MAC sont
aussi définis par le simulateur. Plusieurs modèles sont implémentés par le simulateur
que nous utilisons.
Tous ces modèles sont détaillés dans le manuel d’utilisation du simulateur [68]. Les
modèles utilisés sont détaillés à la Table 4.1.
38
59. 3.3.4 Modèle de propagation
On trouve différents modèles de propagation dans la littérature. Il en résulte que
plusieurs paramètres sont à prendre en compte afin de simuler un modèle réaliste. Dans
un premier temps, la distance entre les véhicules est évidemment un paramètre de base à
prendre en compte. Ensuite, il faut être en mesure de simuler les différents obstacles, que
ce soit les bâtiments qui annulent ou reflètent le signal, ou les arbres qui se contentent
de le réduire. Dans tous ces cas, un modèle d’atténuation doit être établi, et il est
nécessaire de prendre en compte les spécificités des VANETs : les antennes émettrices
et réceptrices sont dans les véhicules, donc plus près du sol que la plupart des autres
antennes pour lesquelles des modèles similaires ont déjà été établis. Les trois modèles de
propagation qui sont implémentés dans le simulateur que nous utiliserons par la suite
sont Free space model, Two-ray ground reflection model et Shadowing model.
— Free space model (modèle de l’espace libre) est le modèle le plus simple. Il consi-
dère que la transmission se fait de façon directe sans aucun obstacle, réflexions
ou effets perturbateurs. Seule la distance entre l’émetteur et le transmetteur est
prise en compte ;
— Two-ray ground reflection model (modèle à deux rayons, directs et par le sol)
considère deux rayons, le rayon de transmission direct ainsi que le rayon qui se
réfléchi sur le sol, comme le montre la Figure 3.11, à condition que les antennes
soient séparées d’une distance minimale appelée distance de croisement. Avant
cette distance, le modèle de propagation de l’espace libre est utilisé. La puissance
du signal prédite par ce modèle suit l’équation :
Pr(d) =
PeGeGrh2
eh2
r
d4L
if d ≥ crossover_dist
PeGeGrλ2
(4πd)2L
if d < crossover_dist
(3.6)
avec Pr(d) la puissance reçue calculée en fonction de la distance, Pe la puissance
émise, Ge, Gr, he et hr, respectivement le gain de l’antenne émettrice et réceptrice
ainsi que leurs hauteurs, L est le facteur de perte et d la distance entre les deux
antennes. λ est calculé en fonction de la fréquence f et de la célérité de l’onde c
tel que :
λ =
c
f
(3.7)
39
60. et la distance de croisement est définit par :
crossover_dist =
(4πhthr)
λ
(3.8)
À titre indicatif, avec les paramètres de base du simulateur utilisé par notre
recherche, la distance de croisement est d’environ 86 m ;
— Shadowing model est le modèle de prise en compte des effets de masques. La
probabilité pour un nœud de recevoir le message ne dépend plus seulement de
la distance entre l’émetteur et le récepteur, mais aussi l’effet de perte de trajet
(path lost model) qui met en jeu un paramètre aléatoire.
Figure 3.11 – Modèle de propagation Two-ray ground.
3.4 Formulation du problème
Afin de formuler le problème de routage de l’information dans un réseau véhiculaire
mobile, nous avons choisi dans un premier temps d’annoncer les notations que nous
allons utiliser pour ensuite présenter les données et les variables du problème, puis les
objectifs et finalement les contraintes.
Dans un article scientifique, la formulation du problème est souvent une étape qui
n’est pas effectuée, faute de place. On remarque alors que les environnements ne sont
pas toujours propres aux VANETs. Certes, la mobilité des nœuds est augmentée, les vé-
hicules suivent les routes définies par une carte tirée de la vie réelle, mais ces protocoles
n’utilisent que trop rarement les communications de types Vehicle to Infrastructure
(V2I). En effet, nous avons vu au Chapitre 2 que les VANETs sont des réseaux ad-
hoc qui utilisent de manière opportuniste les communications avec des infrastructures,
quand ces dernières sont disponibles. Il est donc nécessaire de prendre en compte la
40
61. réalité de déploiement des réseaux véhiculaires mobiles et de simuler un nombre raison-
nable d’unités de bords de routes capables de retransmettre l’information et d’accéder
à Internet. La formulation permet ainsi de bien définir le contexte du problème.
Pour formuler notre problème, les notations suivantes sont utilisées :
N : l’ensemble des n véhicules ;
K : l’ensemble des k infrastructures ;
c : la sensibilité de réception et de transmission des véhicules ;
d : la sensibilité de réception et de transmission des RSUs ;
l : la longueur de l’autoroute sur laquelle les véhicules circulent ;
x : le nombre de voies des routes empruntées ;
v : la vitesse des véhicules ;
vmin : la vitesse minimum autorisée sur autoroute ;
vmax : la vitesse maximum à laquelle les véhicules peuvent se déplacer ;
p : le nombre de paquets généré par secondes par les véhicules sources ;
b : la taille des paquets générés (en bit) ;
L = (i, j)i est connecté à j : la collection de m liens entre les paires
de nœuds qui communiquent entre eux ;
D = Dl ∈ L : l’ensemble des débits des liens ;
s : le nombre de sauts nécessaire au nœud i pour atteindre le nœud j ;
tmoy : le délai de bout en bout moyen des paquets pour être acheminé des véhicules
sources aux véhicules destinations ;
tmax : le délai maximal acceptable ;
PDR : le ratio de livraison des paquets (Packet Delivery Ratio) ;
NRO : le taux d’information de contrôle.
Le problème de routage peut alors être formulé comme suit :
Étant donné :
c, l, x, L, p, b
En fonction de :
n, k, d, v
Les objectifs sont de :
— Réduire tmoy
— Améliorer le PDR
41
