Opportunistic transmission of information in vehicular networks

Abstract

The development in telecommunications and particularly in wireless communications has been one of the most striking features of the contemporary world. The globalization only has been possible thanks to the evolution of communication technologies which increasingly have allowed to satisfy the constant people's needs of being "always connected" whatever the environment where they are. Concerning the evolution of technologies, vehicular networks have been one of the areas of great interest. This interest has been manifested both in research and in the development of the automotive industry that has produced innovative vehicles which are more and more equipped with new technologies. It is expected that communication in vehicular networks enable not only the communication between vehicles, but also a more comfortable and safe driving, making the user's experience of this type of networks richer and stimulating. The specific characteristics of vehicular networks, namely the high mobility, unpredictable routes, dynamic topology and the consequent and constant loss of connectivity, have been a challenge that has motivated studies to find solutions to these limitations. The work carried out for this dissertation is in the area of Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs) and it is based on the Delay and Disruption Tolerant Networks (DTNs). With this project, identified as "Opportunistic Transmission of Information in Vehicular Networks", we aim to study the communication and transmission of information in these networks which do not allow communication without delays and disruptions. For this purpose it is studied the performance of DTN mechanisms in these networks. In this work it is used the implementation IBR-DTN to test DTN in VANETs. This implementation showed, in previous works, to be the one that presents the best performance comparing it with other existing implementations. The study involved, in an initial phase, reading and analyzing the implementation code so that it was possible to add instructions that allowed to observe the behavior of the implementation in the several tests carried out, as well as the correction of the bugs in the implementation. In the first phase, in laboratory, with fixed nodes and in a controlled environment, several scenarios were created to simulate the possible situations a node can meet: direct transfer with and without delay, indirect transfer (multi-hop) and indirect transfer with delay which corresponds to the store and transport of the bundles (set of information) until the next node. From the analysis of the collected information and observing the corresponding graphs, it was possible to observe that the implementation was working properly in the vehicles equipment for communication. Still in laboratory it was built an heterogeneous network with several devices (servers, NetRiders, Single Board Computers (SBCs), tablet, Raspberry Pi e Macbook) to show the integration of the IBR-DTN implementation and its extension in different equipments. During this test several files were sent among these devices, which were correctly received in the nodes previously defined as destination nodes. After testing and checking that everything was working properly in the laboratory, the same implementation was transferred to a testbed with 25 vehicles and 3 fixed infrastructures in Leixões harbor. In this testbed several DTN routing protocols were tested in order to check which of them showed better performance in the delivery rate of the bundles and of the collected information (the log files were also delivered via DTN) from the On-Board Units (OBUs) to the server, located in the Internet. The routing protocol with static routes to the Road Side Units (RSUs) proved a better efficiency compared to the other protocols. This was due to the the fact that this network is well covered with RSUs, and there is no relation between the historic of contacts and the probability that the vehicles will meet again in the future.

O desenvolvimento na área das telecomunicações e, mais particularmente, nas comunicações sem-fios tem sido um dos traços mais marcantes do mundo actual. A globalização só tem sido possível graças à evolução dos meios de comunicação que cada vez mais permitem satisfazer a constante necessidade das pessoas estarem sempre ligadas, qualquer que seja o ambiente em que se encontrem. As redes veiculares têm sido uma das áreas de elevado interesse na evolução das tecnologias. Esse interesse tem-se manifestado tanto ao nível da investigação como ao nível do desenvolvimento da indústria automóvel que tem produzido veículos cada vez mais equipados com novas tecnologias. Prevê-se que a comunicação em redes veiculares permitam não só a comunicação entre os veículos, mas também uma condução mais confortável e segura, tornando a experiência dos utilizadores deste tipo de redes mais rica e estimulante. As características específicas das redes veiculares, nomeadamente a elevada mobilidade, rotas imprevisíveis, topologia dinâmica e a consequente e constante perda de conectividade, tornam-se um desafio que tem motivado estudos no sentido de se encontrarem soluções para essas limitações. O trabalho desenvolvido para esta dissertação insere-se na área das Vehicular Ad-hoc NETworks (VANETs) e baseia-se nas Delay and Disruption Tolerant Networks (DTNs). Com este projecto, identificado como "Transmissão Oportunística de Informação em Redes Veiculares", pretende-se estudar a comunicação e envio de informação nas redes que permitem uma comunicação com atrasos e disrupções. Para o efeito é estudado o desempenho de mecanismos de DTN nestas redes. Neste trabalho é utilizada a implementação IBR-DTN para testar DTN nas redes veiculares. Esta implementação mostrou, em trabalhos anteriores, ser aquela que apresenta melhor desempenho face a outras que existem. O estudo envolveu, numa fase inicial, a leitura e analise de código da implementação para que fosse possível adicionar instruções que permitissem observar o comportamento da implementação nos diversos testes realizados, bem como a correcção de erros da implementação. Na primeira fase, em laboratório, com nos fixos e num ambiente controlado, foram realizados vários cenários que mostram as situações possíveis que um nó pode encontrar: transferência direta com e sem atraso, transferência indirecta (multi-hop) e transferência indirecta com atraso que corresponde ao armazenamento e transporte dos bundles (conjunto de informação) até ao próximo nó. A partir da analise da informação recolhida e observação dos gráficos obtidos foi possível verificar o correcto funcionamento da implementação nos equipamentos de comunicação entre veículos. Ainda em laboratório foi construída uma rede heterogénea com diversos dispositivos (servidores, NetRiders, Single Board Computers (SBCs), tablet, Raspberry Pi e Macbook) com o objectivo de mostrar a integração da implementação IBR-DTN e as suas extensões em diferentes equipamentos. Neste teste foram enviados ficheiros entre estes dispositivos, os quais foram recebidos correctamente nos nos definidos como destino. Depois de testar e certificar que tudo funcionava em laboratório, a mesma implementação foi transferida para uma testbed com 25 veículos e 3 infraestruturas fixas, no porto de Leixões. Nesta testbed foram testados diversos protocolos de encaminhamento DTN de forma a verificar qual apresentava melhor desempenho na taxa de entrega dos bundles e da informação recolhida (os ficheiros de log foram também entregues através de DTN) das On-Board Units (OBUs) para o servidor, localizado na Internet. O protocolo com rotas estáticas para as Road Side Units (RSUs) demonstrou uma melhor eficiência em relação aos restantes devido ao facto de esta rede estar bem coberta e de não existir uma relação entre o histórico de contactos e a probabilidade de os veículos se encontrarem novamente.