Sujet de thèse IFSTTAR

 

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Fiche détaillée :

Titre : Adaptation du « clustering » pour une répartition coordonnée entre les communications V2V et V2I dans le routage d’applications d’automatisation coopératives de la conduite

Laboratoire principal - Référent principal COSYS-LEOST  -  WAHL Martine      tél. : 03 20 43 84 97 
Directeur du laboratoire principal TATKEU Charles  -  
Laboratoire 2 - Référent COSYS-LIVIC  -  GRUYER Dominique  -    -  tél. : 01 30 84 40 07
Spécialité de la thèse « Sciences de l’information et de la communication » (discipline « Informatique, automatique »)
Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal Lille-Villeneuve d'Ascq
Etablissement d'inscription UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LILLE 1
Ecole doctorale SCIENCES POUR L'INGENIEUR (SPI)
Directeur de thèse prévu GRUYER Dominique  -  Ifsttar  -  COSYS-LIVIC
Co-directeur de thèse prévu TATKEU Charles  -  Ifsttar  -  COSYS-LEOST
Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Les systèmes d’aide à la conduite appliqués aux domaines de l'automobile permettent de répondre aux problèmes de sécurité (avec la réduction des risques), de mobilité (optimisation du trafic et minimisation des congestions) et d’environnement (optimisation de la consommation et minimisation de la pollution). Ces systèmes et applications embarqués (appelés ADAS) s’appuient sur l'utilisation des fonctions de communication, de localisation et de perception optimisées de l’environnement routier. Des travaux menés à l’IFSTTAR ont montré l’intérêt de la localisation distribuée et coopérative ou ego-localisation dans une constellation de véhicules routiers pour des applications d’aide à la conduite. L’idée est, pour chaque véhicule hôte communicant, d’exploiter les informations reçues des véhicules voisins afin d’affiner et d’améliorer leur propre localisation. Pour ces systèmes multi-capteurs sans fil, des communications passant uniquement par l’infrastructure (V2I) pourraient être inadaptées dans certains contextes et inefficaces en présence de conditions dégradées ponctuelles. Si une approche centralisée a pour avantages la précision et la capacité, elle nécessite de disposer d’une infrastructure équipée de points d’accès radio à intervalles réguliers. Or, il est clair que cela ne pourrait être garanti, ne serait-ce que pour des raisons de retour sur investissement, notamment dans les sections de routes peu fréquentées en général. De plus, l’information transitant par l’infrastructure peut présenter un risque d’obsolescence accrue comparativement à une communication directe de véhicule à véhicule (V2V) lorsque les véhicules impliqués sont proches.

La mise en œuvre de certaines fonctions applicatives distribuées via des réseaux ad hoc contribuerait à la diminution globale de la charge sur l’infrastructure (temps de calcul, bande passante, etc.), ce qui permettrait de prendre en charge davantage de trafic et d’apporter aux applications une plus grande modularité et plus de flexibilité. Cependant, les algorithmes distribués d’accès au médium et de routage dans les réseaux ad hoc sont plus complexes et leurs charges énergétiques s’ajoutent à celles des fonctions de transmission de l’information spécifiques à ce type de réseau. Il est donc nécessaire de développer des protocoles de routage capables de s’adapter à ce contexte très spécifique.

Dans de récents travaux [1], l’IFSTTAR, en collaboration scientifique avec l’ULCO, a défini un algorithme de clustering, distribué et coopératif, appelé Chain-Branch-Leaf (CBL), qui constitue une nouvelle approche du routage dans les réseaux ad hoc (V2V) pour les VANETs. En l’absence d’une infrastructure (ou en cas de défaillance), cette approche offre, à la couche application, les services d’une infrastructure virtuelle dynamique et stable. Elle limite, en outre, le trafic de routage induit au bénéfice du trafic applicatif, car CBL ne nécessite que l’envoi de messages périodiques de type HELLO pour la découverte du voisinage et la réalisation distribuée d’une structuration du réseau. Les messages de signalisation normalisés pour les réseaux VANETs, tels par exemple les beacons utilisés dans le protocole ETSI GeoNetworking pourraient être utilisés à cette fin. En termes de trafic applicatif, CBL permet, d’une part, les communications proches nécessaires à l’échange de variables et de messages entre véhicules autonomes voisins et, d’autre part, les communications lointaines typiquement nécessaires à l’échange de messages d’alertes et plus largement de gestion du réseau routier.

Cependant, en présence d’une infrastructure existante et non défaillante, les systèmes d’aide à la conduite gagneront, en performance et en efficacité, à faire appel aussi bien aux communications V2I que V2V [2-4]. En particulier, tout ou une proportion importante des communications lointaines sera plus vraisemblablement à la charge de l’infrastructure. L’algorithme de clustering CBL peut donc être adapté de sorte à avoir une répartition coordonnée et optimale des tâches de communications V2V et V2I dans le routage d’applications coopératives d’automatisation de la conduite en fonction des charges de trafic attendues et de leur priorité.

Les difficultés scientifiques sont donc multiples. Il sera nécessaire d’étudier et de formaliser les exigences des applications de localisation et de perception distribuées, ainsi que l’environnement routier, sur les métriques de communication sous forme de contraintes de qualité de service. L’étude portera alors sur l’élaboration d’une méthode de caractérisation du trafic en vue de sa répartition entre les communications V2I et V2V, ainsi que sur l’optimisation du protocole de routage pour satisfaire ces contraintes (délais de bout en bout, gigue, perte de paquets, taux d’erreurs ou de retransmissions, consommation d’énergie, débit, niveau de sécurité, priorité des messages, etc.). Le clustering initialement proposé dans CBL devra être modifié, adapté, et amélioré pour permettre cette répartition de manière optimale.

Les performances du protocole de routage intégrant cette nouvelle méthode de clustering ainsi que les mécanismes de répartition de trafic seront évalués dans divers scenarios du contexte routier (mobilité, environnement, technologies). Une approche cross-layer pourra être adoptée dans un souci d’amélioration des performances observées et en tablant sur une évolution de l’implémentation finale selon l’approche SDN (Software Defined Network). Les simulations seront réalisées sous OPNET. Les travaux s’appuieront sur des technologies de type IEEE 802.11p ou les protocoles récemment développés pour les communications machine-machine tels que LTE-advanced (V2I) et LTE-D (V2V). Dans la mesure du possible, les collaborations permettant des évaluations basées sur une infrastructure de communications 5G (en V2I et V2V) seront recherchées. Des modèles de mobilité réalistes seront obtenus via des simulateurs de trafic routier tels que SUMO ou à partir de traces CRAWDAD ainsi que d’autres données trafic collectées et élaborées à l’IFSTTAR. Les informations de trajectoire des constellations de véhicules pourront aussi être obtenues via le simulateur pro-SiVIC développé au laboratoire LIVIC (IFSTTAR) et maintenant commercialisé par ESI group.

Le candidat : le (la) candidat(e) sera de préférence titulaire ou en voie d’obtention d’un master II en informatique ou en réseaux et télécommunication. Il (elle) devra avoir des compétences en informatique et aimer la programmation. Il (elle) développera pendant la thèse des compétences en réseau et ingénierie des protocoles. Il (elle) aura à publier dans des conférences internationales spécialisées sur les protocoles de communication et en revue.

Insertion professionnelle future : le développement du concept du véhicule connecté aussi bien en Europe qu’à l’international, les investissements importants sur le sujet des industriels, notamment du secteur automobile, ainsi que les efforts consentis par l’État pour des routes plus sûres vont nécessiter des experts du secteur public et privé pour accompagner le développement et le déploiement des technologies dans ce domaine. Cette thèse est l’opportunité d’acquérir une expertise technique et scientifique en connexion avec des applications en cours d’expérimentation.

Références :
[1] Lucas Rivoirard, Martine Wahl, Patrick Sondi, Marion Berbineau, Dominique Gruyer, « Chain-Branch-Leaf: a Clustering Scheme for Vehicular Networks Using Only V2V Communications », Ad Hoc Networks (2017), doi: 10.1016/j.adhoc.2017.10.007
[2] Kashif Dar, Mohamed Bakhouya, Jaafar Gaber, and Maxime Wack, « Wireless Communication Technologies for ITS Applications », In Series : Topics In Automotive Networking, IEEE Communications Magazine, Volume 48, Issue 5, May 2010.
[3] Panos Papadimitratos, Arnaud De La Fortelle, Knut Evenssen, Roberto Brignolo, Stefano Cosenza, « Vehicular communication systems: Enabling technologies, applications, and future outlook on intelligent transportation », IEEE Communications Magazine, Volume 47, Issue 11, November 2009.
[4] José Santaa, Antonio F. Gómez-Skarmetaa, Marc Sánchez-Artigas, « Architecture and evaluation of a unified V2V and V2I communication system based on cellular networks », Computer Communications (Elsevier) journal, Volume 31, Issue 12, 30 July 2008.

Mots-clefs: Qualité de service, protocole de routage, réseau de capteurs, VANET, IEEE 802.11p, LTE, 5G OPNET
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