Integration of different radio access technologies for vehicular connectivity

Abstract

Nos últimos anos, a comunicação veicular surgiu como um componente crítico dos Sistemas de Transporte Inteligente (ITS) para melhorar a segurança rodoviária, a eficiência do tráfego e a experiência geral de condução. A evolução das redes veiculares ad hoc (VANETs) para as redes veiculares heterogéneas globais chama a atenção significativa da academia e da indústria em todo o mundo. Essa transformação, conhecida como Internet of Vehicles (IoV), pode revolucionar a forma como os veículos se comunicam entre si e com a infraestrutura. A coexistência de várias tecnologias no ambiente de comunicação veicular apresenta oportunidades promissoras para melhorar a conectividade. Um sistema heterogéneo incorpora as características únicas de várias tecnologias de acesso por rádio, melhorando o desempenho geral da rede e permitindo que os veículos beneficiem de altas taxas de transferência, baixa latência e alcance estendido de comunicação. No entanto, apesar do vasto potencial da abordagem multitechnologia das redes veiculares heterogéneas, vários desafios persistem. A necessidade de um mecanismo de transferência de conexão sem interrupção e a seleção em tempo real da rede mais adequada permanecem como problemas de pesquisa em aberto. O foco central desta investigação é o desenvolvimento de algoritmos eficazes para a interoperabilidade funcional de diferentes tecnologias de comunicação sem fios. Para alcançar isso, adotamos o novo paradigma multipath, que permite o uso simultâneo das interfaces disponíveis, visando aprimorar a eficiência e a confiabilidade de sistemas de comunicação veicular. Para reduzir o impacto das transições frequentes entre redes heterogéneas, desenvolveu-se um gerenciador de caminho adaptado para redes veiculares. Esse esquema inovador pode controlar o uso das interfaces disponíveis para garantir a comunicação sem interrupção e fornecer uma ótima experiência do utilizador num ambiente veicular multi-tecnológico. A solução proposta concentra-se na seleção dinâmica de rede para cada serviço, considerando vários fatores, como mobilidade do veículo, contexto de comunicação e requisitos dos serviços em execução. A eficácia da solução proposta é demonstrada por meio de avaliações abrangentes usando uma framework de emulação especificamente desenvolvida para apoiar esta investigação. Esta tese contribui para o investigação em curso sobre a comunicação veicular heterogénea e prepara o terreno para um futuro onde as redes veiculares integram perfeitamente várias tecnologias numa nova era de conectividade nas nossas estradas.

In recent years, vehicular communication has emerged as a critical component of Intelligent Transportation Systems (ITS) to enhance road safety, traffic efficiency, and overall driving experience. The evolution of Vehicular Ad Hoc Networks (VANETs) to global heterogeneous vehicular networks has captured significant attention from academia and industry worldwide. This transformation, known as the Internet of Vehicles (IoV), can revolutionize how vehicles communicate with each other and the surrounding infrastructure. The coexistence of various wireless technologies within the vehicular communication environment shows promising opportunities for improved connectivity. A heterogeneous system incorporates the unique characteristics of multiple Radio Access Technologies (RATs), enhancing the overall system performance. However, despite the vast potential of the multi-RAT approach, several challenges persist, such as seamless handover mechanism and the real-time network selection. This thesis addresses these challenges by defining innovative techniques that facilitate vehicular communication within heterogeneous networks. A central focus of the research is the development of effective algorithms for the functional interoperability of different RATs. To achieve this, we adopt the novel multipath parading that enables the simultaneous use of available interfaces, aiming to enhance the efficiency and reliability of vehicular communication systems. Unfortunately, the unstable wireless connection and rapid topology changes caused by vehicle mobility can significantly impair the performance of multipath connections. In order to reduce the impact of frequent handovers across heterogeneous networks, we designed an adaptive cross-layer assisted path manager tailored for vehicular networks. This innovative scheme can control RAT usage to provide an optimal and seamless user experience in a multi-technology vehicular environment. The proposed solution focuses on dynamic network selection for each service by considering several factors, such as vehicle mobility, the communication context, and the requirements of the ongoing services. The efficacy of the proposed solution is demonstrated through comprehensive evaluations using a realistic emulation framework specifically designed to support our investigation. This thesis contributes to the ongoing investigation on multi-RAT vehicular communication. It sets the stage for a future where vehicular networks seamlessly integrate various technologies to create a new era of connectivity on our roads.