Cette étude examine la formation de convois de véhicules sur autoroute via des communications V2X pour améliorer la gestion de la mobilité. Elle aborde les spécificités des déplacements à grande vitesse, les protocoles de communication entre véhicules et infrastructures, ainsi que les algorithmes pour la formation et la gestion des convois. Les travaux incluent également des analyses de la qualité des convois, en se basant sur des métriques telles que le nombre de ruptures et la durée de vie des convois.

1. ´
Etude de la formation de convois dans un r´seau de
e
v´hicules sur autoroute pour la gestion de la mobilit´
e e
Florent Kaisser*, V´ronique V`que**, Colette Johnen***
e e
*IFSTTAR - LEOST
**Universit´ Paris-Sud - Laboratoire des Signaux et Syst`mes
e e
*** Universit´ de Bordeaux - LaBRI
e
CFIP 2011 - 10 mai 2011

2. Introduction Contexte
R´seaux de v´hicules sur autoroute
e e
Notre ´tude porte sur les communications V2x des r´seaux de v´hicules sur
e e e
autoroute. Ses particularit´s sont :
e
V´hicules roulant ` vitesse ´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. Introduction Contexte
Convois de v´hicules
e
Longueur du convoi
1 5 3 1 12
4 2 4 8 8
6 13 7
9 10 7
id Véhicule Convoi
id
id Tête de convoi
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 2 / 24

4. Introduction Contexte
R´seau de v´hicules avec infrastructure
e e
L’ajout de point d’acc`s reli´s entre-eux permet d’assurer la connectivit´
e e e
du r´seau et d’am´liorer le passage ` l’´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 d'accès B A
8 9 6
7 11 10 7
3 5 1 1
2 4 4
id Véhicule
id
Convoi
id Tête de convoi id Passerelle
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 3 / 24

5. Introduction Probl´matiques
e
Probl´matiques
e
Deux types de mobilit´s avec une infrastrucutre et des convois :
e
Mobilit´ entre un convoi et point d’acc`s : Protocole d’enregistrement
e e
du convoi aupr`s de l’infrastructure
e
Mobilit´ entre v´hicules : Algorithme distribu´s de formation de
e e e
convois
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 4 / 24

6. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e
Plan
1 Introduction
2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e
M´canismes de gestion de la mobilit´
e e
Handover sans coupure
Travaux existants
3 Algorithme de formation de convois
4 ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e
5 Conclusion
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 5 / 24

7. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e M´canismes de gestion de la mobilit´
e e
Gestion de la mobilit´ v´hicule/ap
e e
M´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. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e M´canismes de gestion de la mobilit´
e e
Gestion de la mobilit´ de groupe
e
Les v´hicules ´tant group´s, nous pouvons g´rer la mobilit´ au niveau d’un
e e e e e
groupe. Un groupe de v´hicules est appel´ convoi.
e e
L’enregistrement ne s’effectue plus individuellement pour chaque
nœud.
Chaque convoi s’enregistre au pr`s de l’infrastructure.
e
On r´duit le nombre de message ´chang´ pour l’enregistrement.
e e e
Handover sans coupure
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 7 / 24

9. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e Handover sans coupure
Handover avec la gestion de convois
La gestion de changement de points d’acc`s peut ˆtre am´lior´ avec la
e e e e
mobilit´ de groupe
e
Nœuds passerelles : nœuds connect´s avec un point d’acc`s.
e e
Il peut exister plusieurs passerelles dans un convoi.
La passerelle courante est la passerelle utilis´ par tous les nœuds du
e
convoi.
Un convoi peut contenir des passerelles vers des points d’acc`s
e
diff´rents.
e
Quand le lien entre la passerelle courante et son point d’acc`s faiblit,
e
une autre passerelle peut prendre le relais.
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24

10. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e Handover sans coupure
Handover avec la gestion de convois
Y
Point d'accès B A
8 9 6
7 11 10 7
3 5 1 1
2 4 4
id Véhicule
id
Convoi
id Tête de convoi id Passerelle
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24

11. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e Handover sans coupure
Handover avec la gestion de convois
Y
Point d'accès B A
8 9 6
7 11 10 7
3 5 1 1
2 4 4
id Véhicule
id
Convoi
id Tête de convoi id Passerelle
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 8 / 24

12. Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e Travaux existants
NEMO et la mobilit´ de groupe
e
NEMO (Network Mobility), permet de g´rer la mobilit´ de groupe.
e e
´
Etend Mobile IP pour la mobilit´ de r´seau.
e e
Ajout de routeurs mobiles dans un r´seau.
e
Un routeur mobile peut s’associer avec un point d’acc`s.
e
Seul les routeurs mobiles s’enregistrent au pr`s de leur r´seau m`re.
e e e
Les noeuds mobiles utilisent ces routeurs pour atteindre
l’infrastructure.
Dans [Kim06, PsCEC04] , les auteurs introduisent la possibilit´ d’utiliser
e
plusieurs routeurs mobiles connect´s ` des points d’acc`s diff´rents.
e a e e
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 9 / 24

13. Algorithme de formation de convois
Plan
1 Introduction
2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e
3 Algorithme de formation de convois
Algorithme existants
Algorithme de formation de convois
4 ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e
5 Conclusion
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 10 / 24

14. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Algorithmes de formation de cluster
Un cluster est un groupe de nœuds
Chaque nœud appartient ` un cluster : les clustermember
a
Chaque cluster poss`dent un seul chef : le clusterhead
e
Les clusters peuvent ˆtre reli´s par des nœuds passerelles : les gateway
e e
Donc un nœud peut ˆtre dans un des 3 ´tats :
e e
Clusterhead
Gateway
Les nœuds qui sont ni clusterhead ni gateway sont les membres de
cluster : le clustermember
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 11 / 24

15. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Algorithmes de formation de cluster
Un cluster est un groupe de nœuds
Chaque nœud appartient ` un cluster : les clustermember
a
Chaque cluster poss`dent un seul chef : le clusterhead
e
Les clusters peuvent ˆtre reli´s par des nœuds passerelles : les gateway
e e
Donc un nœud peut ˆtre dans un des 3 ´tats :
e e
Clusterhead
Gateway
Les nœuds qui sont ni clusterhead ni gateway sont les membres de
cluster : le clustermember
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. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Algorithmes de formation de cluster
Un cluster est un groupe de nœuds
Chaque nœud appartient ` un cluster : les clustermember
a
Chaque cluster poss`dent un seul chef : le clusterhead
e
Les clusters peuvent ˆtre reli´s par des nœuds passerelles : les gateway
e e
Donc un nœud peut ˆtre dans un des 3 ´tats :
e e
Clusterhead
Gateway
Les nœuds qui sont ni clusterhead ni gateway sont les membres de
cluster : le clustermember
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. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Cluster k-hop
Clustermember
Clusterhead
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 12 / 24

18. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Travaux existants
De nombreux travaux traitent de la formation de clusters :
Clusters 1-hop [Bas99] : Introduction d’algorithmes pour la formation
et la maintenance de clusters.
Clusters k-hop [NGS03, MC08] : g´n´ralisation des algorithmes pour
e e
des clusters k-hop.
Clusters multi-hop autonomes [OIK03] : Gestion autonome de la taille
des clusters.
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 13 / 24

19. Algorithme de formation de convois Algorithme existants
Travaux existants
De nombreux travaux traitent de la formation de clusters :
Clusters 1-hop [Bas99] : Introduction d’algorithmes pour la formation
et la maintenance de clusters.
Clusters k-hop [NGS03, MC08] : g´n´ralisation des algorithmes pour
e e
des clusters k-hop.
Clusters multi-hop autonomes [OIK03] : Gestion autonome de la taille
des clusters.
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 13 / 24

20. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
R´seau lin´aire
e e
Nous exploitons l’aspect lin´aire d’un r´seau de v´hicules sur autoroute
e e e
pour ´laborer un algortihme de formation de convois.
e
Repr´sentation physique :
e
4
1
3
2
Porté radio
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 14 / 24

21. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
R´seau lin´aire
e e
Repr´sentation physique :
e
4
1
3
2
Porté radio
Repr´sentation topologique :
e
1 2 3 4
Nœud du réseau
Lien sans fil
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 14 / 24

22. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
Structure d’un convoi
Un convoi est un cluster dont les nœuds sont des v´hicules.
e
La tˆte de convoi : le v´hicule devant tous les autres membres du
e e
convoi
La communication ` l’int´rieur du convoi se fait via un protocole `
a e a
transmission conditionnelle [DKS07] :
Diffusion d’un paquet dans le sens de d´placement
e
Diffusion d’un paquet dans le sens contraire de d´placement
e
Acheminement d’un paquet vers une position dans le convoi.
`
A l’initialisation un convoi contient un seul nœud : la tˆte de convoi.
e
Une tˆte de convoi fait une demande de fusion avec un convoi voisin.
e
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 15 / 24

23. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
Fusion de convois
Un convoi peut envoyer une candidature de fusion ` un convoi du
a
voisinage. 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.
e
La 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. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
Scission de convois
La 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. Algorithme de formation de convois Algorithme de formation de convois
Scission de convois
1 5 3 1
12
4 2 4 8 8
6 7
9 10 7
id Véhicule id Convoi
id Tête de convoi Chemin vers la tête
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 17 / 24

26. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e
Plan
1 Introduction
2 Gestion de la mobilit´ convoi - point d’acc`s
e e
3 Algorithme de formation de convois
4 ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e
Sc´nario
e
R´sultats
e
5 Conclusion
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 18 / 24

27. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e Sc´nario
e
´
Evaluation de la qualit´ des convois
e
Les convois sont-il suffisamment stables ?
Nous nous int´ressons ` cinq m´triques :
e a e
Nombre de convois,
Nombre de ruptures de convois,
Taille d’un convoi en nombre de nœuds,
Longueur d’un convoi en m`tres,
e
Dur´e de vie d’un convoi.
e
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 19 / 24

28. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e Sc´nario
e
Simulation de l’algorithme de formation de convois
Nous avons impl´ment´ l’algorithme de formation de convois dans
e e
JiST/SWANS.
Temps de simulation 600 s
Intervalle des Hello 2s
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. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e R´sultats
e
Nombre 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. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e R´sultats
e
Nombre de ruptures de convois par nœud en fonction de la
densit´ 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. ´
Evaluation de la qualit´ des convois
e R´sultats
e
Distribution de la dur´e d’un convoi en fonction de sa taille
e
120
Densité de véhicules
4
10
100 16
Durée de vie moyenne du convoi
80
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10
11
12
13
14
15
0
0
0
0
0
0
Taille du convoi (nombre de véhicules)
Dur´e totale de simulation : 600 secondes. Longueur maximale : 2000 m.
e
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 23 / 24

32. Conclusion
Conclusion
Un algorithme de formation de convois est propos´ pour les r´seaux
e e
de v´hicules sur autoroute
e
Les simulations r´alis´es ont montr´ une bonne stabilit´ des convois
e e e e
et une taille des convois satisfaisantes
Perspectives :
Comparaison avec d’autres algorithmes de formation de cluster.
Des simulations permettraient d’´valuer l’am´lioration des handovers
e e
avec l’utilisation de convois
F. Kaisser (IEF) Formation de convois CFIP 2011 24 / 24

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

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

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

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. Variables, constantes et Initialisation d’un nœud
procedure initialisation
IdConvoy ← Id
ConvoyLength ← 0
ConvoyHead ← True
JCReqTable ← ∅
ClusterNodes ← {Id}
end procedure

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. Passage ` l’´chelle
a e
D´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 ee
r´seau augmente.
e

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. 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. [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.