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Type: Tese de Doutorado
Title: Deployment of roadside units based on partial mobility Information
Authors: Cristiano Maciel da Silva
First Advisor: Wagner Meira Junior
First Referee: Antonio Alfredo Ferreira Loureiro
Second Referee: Eduardo Coelho Cerqueira
Third Referee: Jose Marcos Silva Nogueira
metadata.dc.contributor.referee4: Raquel Aparecida de Freitas Mini
Abstract: As redes veiculares em breve estarão nas ruas. Dado o papel do automóvel como um componente fundamental do cotidiano, a integração de inteligência de software nos veículos pode drasticamente melhorar a qualidade de vida nos centros urbanos. A adoção de comunicação sem fio nos veículos têm fascinado os pesquisadores desde os anos 80. Alguns anos após, como consequência da revolução celular, os serviços de voz se tornaram amplamente adotados, e a atenção dos pesquisadores voltou-se para os benefícios da comunicação sem fio. Numa rede veicular a comunicação pode ocorrer de uma forma direta e completamente distribuída onde os veículos trocam mensagens sem nenhuma infraestrutura de suporte. No entanto, a comunicação ad hoc pode se tornar bastante ineficiente devido à grande mobilidade dos veículos que leva a tempos de contatos muito curtos para a troca de dados, possivelmente reduzindo a vazão da rede. Além disso, a comunicação também é dificultada em áreas esparsas devido à ausência de nós comunicantes. A mobilidade veicular também dificulta o roteamento dado que não contamos com meios confiáveis para inferir a posição futura de cada veículo. Embora a comunicação veicular possa se dar de forma ad hoc, diversas pesquisas demonstram que uma infraestrutura mínima de suporte melhora o desempenho geral da rede. Por outro lado, os altos custos de implantação dessa infraestrutura de suporte podem atrasar a implantação em larga escala das redes veiculares. Dessa forma, diversas pesquisas desenvolvem esforços no sentido de maximizar o desempenho da rede através de uma implantação mais eficiente da infraestrutura de apoio. Estratégias existentes para a implantação de infraestrutura se baseiam em dois paradigmas de mobilidade. As estratégias mais antigas apresentam uma influência clara das redes de telefonia celular, e propõem métodos distintos para a identificação das regiões mais densas da malha viária. Em contrapartida, os trabalhos mais modernos assumem que a trajetória de todos os veículos é conhecida a priori, uma premissa questionável quando consideramos uma implantação de infraestrutura real. Nesse trabalho nós propomos a implantação de infraestrutura baseada num modelo parcial de mobilidade. Ao invés de assumirmos o completo conhecimento da trajetória de todos os veículos, nós assumimos o conhecimento das taxas de migrações de veículos entre regiões urbanas adjacentes, uma premissa mais factível. Nós modelamos a alocação de infraestrutura como um Problema de Máxima Cobertura Probabilística (PMCP). PMCP nos permite projetar o fluxo de veículos com o objetivo de identificar a quantidade esperada de veículos atingindo qualquer região da malha viária. Nós usamos essa informação para inferir os melhores locais para a implantação das unidades de comunicação com o objetivo de maximizar a quantidade de veículos distintos contatando a infraestrutura. Nossa estratégia de implantação de infraestrutura é avaliada em três cenários distintos com complexidades crescentes: (a) malha viária sintética com tráfego também sintético; (b) malha viária real com tráfego sintético; (c) malha viária real com tráfego realístico. Dado que o tráfego varia ao longo do tempo, uma arquitetura baseada somente em unidades de comunicação estacionárias não é capaz de suportar a comunicação veicular durante toda a sua operação. Assim, nós também investigamos os benefícios da utilização de uma infraestrutura dinâmica. Embora o tráfego varie ao longo do tempo, essa variação é de alguma forma limitada pela malha viária subjacente. Assim, nesse trabalho nós também propomos uma arquitetura híbrida baseada na integração de unidades de comunicações móveis e estáticas. Nossa investigação demonstra que aproximadamente 60% das unidades de comunicação podem ser mantidas fixas, enquanto que 40% delas devem se mover ao longo da malha viária. Ao analisarmos as variações de tráfego, nós percebemos que as unidades de comunicações móveis devem se deslocar numa velocidade média de 5.2km/h, o que demonstra a viabilidade de incorporação dessas unidades de comunicação em veículos do transporte público.
Abstract: Vehicular ad-hoc Networks are expected to hit the streets soon. Given the automobiles role as a critical component in peoples lives, embedding software-based intelligence into them has the potential to drastically improve drivers quality of life. Leveraging wireless communication in vehicles has fascinated researchers since the 1980s. A few years later, as a consequence of the cellular revolution, voice services have become commonplace and ubiquitous, and the attention of researchers has shifted to wireless communication. In a vehicular network communication may happen in a direct and completely distributed basis where vehicles exchange messages without any support infrastructure. However, the ad hoc communication may become inefficient due to the high mobility of vehicles leading to very short contact times, possibly reducing the network throughput. Additionally, communication also suffers in sparse areas due to the lack of communicating pairs. Vehicular mobility also makes routing far complicated as we lack reliable means to infer the future position of the vehicles. Although the communication may take place in an ad-hoc basis, the research demonstrates that a minimum support infrastructure may largely improve the overall efficiency of the vehicular network. Nevertheless, the high costs of deploying the support infrastructure may delay the large scale adoption of such networks. Thus, several research efforts are towards maximizing the network performance through more efficient deployment strategies. Existent deployment proposals rely on two mobility paradigms: Initial deployment works are influenced by the cellular networks, and typically propose alternative strategies to identify the densest places within the road network. On the other hand, modern works assume full knowledge of vehicles trajectories, perhaps a not realistic assumption when we consider a real deployment. In this work we propose the deployment of infrastructure based on partial mobility information. Instead of assuming full knowledge of the vehicles trajectories, we assume full knowledge of the migration ratios between adjacent urban locations, a much more realistic assumption. We model the deployment of roadside units as a Probabilistic Maximum Coverage Problem (PMCP). PMCP allows us to project the vehicles flow in order to identify the expected number of vehicles reaching any given urban location. We use this information to infer the better locations for deploying the roadside units in order to maximize the number of trips experiencing at least one vehicle-to-infrastructure contact opportunity. Our deployment strategy is evaluated using three distinct scenarios with growing complexity: (a) theoretical road network; (b) real road network and synthetically generated traffic; (c) real road network and realistic traffic. Since traffic fluctuates, an architecture based only on stationary roadside units is unable to properly support the network operation all the time. Thus, we also investigate the benefits of dynamic infrastructure deployment strategies. Although traffic fluctuates over time, such fluctuation is somehow limited by the underlying (and almost) fixed road network. Thus, we propose a hybrid architecture based on stationary and mobile roadside units. Our investigation demonstrates that approximately 60% of the roadside units may be stationary. In order to address traffic fluctuations, the mobile roadside units must travel at an average speed of 5.2km/h, which demonstrates the feasibility of incorporating the mobile infrastructure into public transportation vehicles.
Subject: Trânsito Fluxo
Computação
Engenharia de software
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/ESBF-9TELS9
Issue Date: 16-Dec-2014
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