Desarrollo y evaluación de modelos analíticos para aplicaciones y técnicas cross-layer en redes vehiculares

Abstract

[ESP] Las redes ad hoc vehiculares (VANETs) comprenden un campo de investigación que está recibiendo un creciente interés tanto por parte de la industria como en el ámbito académico, debido a las ventajas que proporcionaría la gran diversidad de aplicaciones que se pueden derivar de su uso. Las VANETs utilizan comunicaciones inalámbricas en las que la información se puede transmitir entre vehículos (vehicle-to-vehicle, V2V) o entre vehículos e infraestructuras de carretera (vehicle-to-infrastructure, V2I). Estas tecnologías constituyen la clave de los futuros Sistemas de Transporte Inteligente (ITS), los cuales integran diferentes sistemas y tecnologías para mejorar distintos aspectos del transporte en general, como el control del tránsito o los sistemas de información a los conductores. Uno de los beneficios más importantes de las comunicaciones entre vehículos es la mejora de la seguridad vial. Las aplicaciones para evitar colisiones de forma cooperativa (Cooperative Collision Avoidance, CCA) se presentan como un método novedoso para reducir el número de accidentes en la carretera, proporcionando a los vehículos capacidades de comunicación cooperativa, de tal manera que sean capaces de reaccionar coordinadamente ante posibles riesgos de accidente. Sin embargo, para diseñar e implementar este tipo de aplicaciones se necesita estudiar en profundidad el proceso de colisión de un vehículo y conocer la influencia de los diferentes parámetros de la conducción en el origen de las colisiones. Este estudio se debe llevar a cabo en una etapa previa al desarrollo de aplicaciones que pretendan adaptar a tiempo la dinámica de los vehículos para evitar las colisiones, o al menos mitigar sus efectos. En este contexto, en esta tesis doctoral se presenta y evalúa exhaustivamente un modelo estocástico novedoso que permite calcular el porcentaje medio de vehículos accidentados en una cadena de vehículos que circulan en una carretera de una sola dirección con un solo carril, permitiendo estudiar el efecto que tienen los diferentes parámetros de la conducción (distancia intervehicular, tiempo de reacción del conductor, deceleración de frenada, etc.) en el proceso de colisión de un vehículo. Continuamos nuestra investigación con el estudio de la eficiencia y fiabilidad en la propagación de mensajes de emergencia, que deben alcanzar a todos los vehículos en el rango de transmisión y tiene que difundirse en un tiempo acotado a un conjunto de vehículos que se encuentran dentro de un área determinada. La transmisión de estos mensajes con un destino geográfico se realiza mediante el protocolo GeoNetworking, que utiliza un mecanismo de retransmisión para enviar los paquetes a través de nodos intermedios hasta alcanzar el destino. En esta tesis estudiamos cómo las técnicas de cross-layer, que permiten el intercambio de información entre las diferentes capas de comunicación, pueden mejorar el funcionamiento del GeoNetworking optimizando el algoritmo de retransmisión utilizado. Finalmente, presentamos un trabajo de revisión y una evaluación comparativa de las técnicas de cross-layer más relevantes en el contexto de las redes vehiculares, centrándonos en particular en las técnicas relativas a las capas de control de acceso al medio y de red. [ENG] Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs) have been receiving a growing research interest from both the Academia and the Industry, due to the potential benefits provided by the broad range of applications that might be derived from their use. VANETs use wireless communications in which the information can be transmitted among vehicles (V2V) or among vehicles and road infrastructure (V2I). This technology paves the way for future Intelligent Transportation Systems (ITS), which integrate advanced information, communication and control technologies to bring major improvements to the existing transportation network, like vehicle traffic control or driver information systems. One of the most promising benefits of vehicular communications is the improvement of traffic safety. Cooperative Collision Avoidance (CCA) applications are a new emerging means of reducing the number of accidents on the road by providing cars with collaborative communication capabilities, thus allowing them to better react against possible accident risks. However, to design and implement such applications, a deep understanding of the vehicle collision process is needed. The influence of different driving parameters on the collision event must be assessed at an early design stage to develop applications that can timely adapt vehicle dynamics to avoid or at least mitigate the danger. In this context, this thesis presents and evaluates a novel stochastic model that enables the computation of the average number of collisions that occur in a platoon of vehicles driving in a single-lane road. At the same time, the model allows to study the effect of different driving parameters (inter-vehicle distance, driver reaction time, braking deceleration, etc.) on the collision process. Next, we focus on the efficiency and reliability of emergency messages propagation, which should reach all the vehicles within a certain area in a limited time. The delivery of these geographically-addressed messages is performed by the GeoNetworking protocol, which uses a forwarding mechanism to route packets through intermediate nodes until reaching the destination. We assess here how cross-layer techniques, allowing the exchange of information between the different communication layers, can help to improve the operation of GeoNetworking by optimizing the forwarding algorithm in use. We finally provide a survey and comparative evaluation of the most relevant proposals in the context of vehicular environments, focusing on the particular cases involving the MAC (Medium Access Control) and network layers.