Mobility of communications between vehicles and infrastructure

Abstract

The unique characteristics of VANETs, such as high mobility, dynamic topology and frequent loss of connectivity, turn the network selection scheme into a complex problem. In a crowded wireless environment that surrounds us, mainly in urban areas, there is a proliferation and superposition of multiple networks and technologies. Therefore, in order to guarantee connectivity in a transparent way for users, the presence of a connection manager capable of taking informed decisions is crutial. With the increase of mobile traffic, several initiatives have been performed for deploying free/low-cost Wi-Fi hotspots across the cities, in order to offload traffic from the cellular networks into more cost-effective networks. On the one hand, clients benefit from lower data prices, and on the other hand, operators may reduce the amount of cellular infrastructure deployed. Furthermore, users will certainly prefer to connect to a free source of Internet whenever it is available instead of paying for it. Since nodes in VANETs are vehicles, the perception of the surrounding networks is constantly changing, becoming unstable with speed. Therefore, the high mobility of nodes in VANETs jeopardizes the existing network selection mechanisms, which for the network election, are based on Received Signal Strength (RSS) to choose where to connect. Moreover, in a VANET environment, there are no mechanisms capable of taking into account V2V communication according to the WAVE/DSRC technology. Thereby, we propose a connection manager which considers the Wi-Fi networks, cellular networks and the WAVE/DSRC technology to provide connectivity to vehicles. This connection manager is capable of looking into relevant data that is available in VANET-equipped vehicles, increasing the dynamic of the decision process. VCM is a connection manager optimized to operate in VANET scenarios, which takes into account the vehicle speed and heading, the infrastructure position along with their availability and also the number of hops to reach the service provider, besides the link quality. The proposed connection manager is based on an Analytical Hierarchic Process (AHP) that combines several candidate networks, geographic inputs and physical factors to determine the best connection at all times, including the technology and the best network, for each user. To determine the priority of each parameter, we proposed the combination of pairwise comparisons between the criteria involved, according to Saaty's pairwise comparison scale, enhancing the process through simulation and using a Genetic Algorithm (GA). To observe the enhancements provided by VCM, two typical connection managers were implemented: BCM which only looks to the signal quality to choose where to connect, and PCM which takes into account users preference besides the RSS. The evaluation was performed in a Manhattan grid, composed by several vehicles using SUMO's car-following model and with equal turn probabilities, and infrastructure randomly spread across the scenario. The results show that VCM outperforms the other two connection managers, proving that it is capable of operating in general scenarios minimizing the packet loss and with a reduced number of performed handovers.

As características únicas das redes veiculares, como a elevada mobilidade, a topologia dinâmica e a frequente perda de conectividade, tornam o esquema da escolha de rede num problema complexo. Num ambiente replecto de redes sem fios, principalmente nas áreas urbanas, existe um aglomerado e sobreposição de varias redes e tecnologias. Assim, para garantir ao utilizador a conectividade de forma transparente, é necessário a presença de um mecanismo capaz de tomar decisões informadas. Com o aumento do trafego móvel, varias iniciativas estão a ser realizadas, disponibilizando hotspots IEEE 802.11 a/g/n (Wi-Fi) pelas cidades, de forma a retirar trafego das redes celulares. Por um lado, os clientes podem usufruir de preços mais baixos e por outro lado, os operadores conseguem reduzir a quantidade de trafego móvel. Alem disso, os utilizadores irão preferir ligar-se a uma rede mais barata/grátis sempre que estiver disponível, desde que tenha boa qualidade. Uma vez que nas redes veiculares os nos são veículos, as redes disponíveis estão sempre a mudar, tornando-se cada vez mais instáveis com o aumento da velocidade. Assim, a mobilidade dos nos põe em causa as soluções existentes para mecanismos de selecção de redes, que maioritariamente para elegerem a melhor rede se baseiam apenas na qualidade do sinal. Alem disso, para um ambiente de redes veiculares, não existem mecanismos de selecção capazes de ter em conta comunicação Vehicle-to-Vehicle (V2V) de acordo com a tecnologia Wireless Access in Vehicular Environments (WAVE) / (Dedicated Short-Range Communications (DSRC). Assim, é proposta a criação de um gestor de conectividade capaz de ter em conta determinados factores que se encontram disponíveis nos veículos Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET)-equipados para aumentar a dinâmica do processo de seleccao. O Vanet Connection Manager (VCM) é um gestor de conectividade optimizado para ambientes veiculares, que considera a disponibilidade de redes Wi-Fi, redes celulares e a tecnologia WAVE / DSRC para veículos. Este gestor tem em conta a velocidade e direcção do veículo, a posição das infraestructuras bem como a sua disponibilidade, o numero de saltos ate ao destino, alem da qualidade do sinal. O mecanismo proposto e baseado num Processo Analítico Hierárquico que combina varias redes candidatas, parâmetros geográficos e factores físicos para determinar a melhor ligação possível, incluindo a tecnologia e a melhor rede, para cada utilizador. Para o calculo das prioridades de cada parâmetro, foi proposto o método das combinações emparelhadas desenvolvido por Saaty, optimizando o processo através de simulação e recorrendo a um Algoritmo Genético. Para observar o desempenho do gestor de conectividade, implementaram-se dois gestores típicos de conectividade: Basic Connection Manager (BCM) que apenas tem em conta a força de sinal para escolher o melhor candidato, e o Preference-based Connection Manager (PCM) que tem em conta as preferências dos utilizadores para além da força de sinal. A avaliação foi realizada num cenário Manhattan, composto por vários veículos com modelos de simulação importados do SUMO e infraestrutura aleatoriamente colocada ao longo do cenário. Os resultados mostram que o VCM apresenta melhores resultados que os outros dois gestores de rede, provando que e capaz de operar em qualquer cenário, minimizando as perdas de dados e com um reduzido numero de mudanças de rede.