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AODV DSR

5.2 Application de localisation distribu´ ee coop´ erative

5.2.1 Int´erˆet de la localisation pour les applications v´ehiculaires

La fonction de localisation est l’une des plus importantes pour les r´eseaux v´ehiculaires. Elle est n´eces-saire pour de nombreuses applications allant de la navigation au guidage autonome du v´ehicule [12].

En ce qui concerne les applications de s´ecurit´e passives ou actives, un v´ehicule devra localiser finement les v´ehicules voisins afin de d´etecter de potentielles situations dangereuses. Selon le d´elai restant estim´e avant l’accident, le syst`eme devra soit avertir le conducteur, soit assurer une prise de contrˆole efficace du v´ehicule. En s´ecurit´e post-accident, la localisation pr´ecise de l’accident permettra une intervention rapide des secours permettant de minimiser l’impact de l’accident pour les bless´es et pour la s´ecurit´e des autres usagers de la route.

La mesure de positionnement par le GPS est r´ealis´ee `a l’aide de la mesure du temps ´ecoul´e entre l’instant de l’´emission d’une onde ´electromagn´etique par un satellite GPS et l’instant de sa r´eception par le r´ecepteur GPS embarqu´e dans un v´ehicule. Le r´ecepteur compare l’heure d’´emission incluse dans le signal re¸cu avec l’heure de sa r´eception. Apr`es multiplication par la vitesse de l’onde ´electromagn´etique (vitesse de la lumi`ere), la valeur obtenue fournit une pseudo-distance. Cette pseudo-distance est assimilable `a une distance, mais elle est entach´ee `a la fois par l’erreur de synchronisation entre l’horloge atomique du satellite et celle du r´ecepteur GPS, mais aussi par les erreurs dues aux d´egradations subies par l’onde lors de sa propagation entre le satellite et le r´ecepteur, en particulier lors de sa travers´ee de l’atmosph`ere.

Le calculateur du r´ecepteur GPS peut obtenir la position absolue du v´ehicule `a partir des pseudo-distances obtenues avec quatre satellites GPS dont il connaˆıt les positions `a l’heure d’´emission des signaux. Ces mesures lui permettent de r´esoudre un syst`eme d’´equations `a quatre inconnues : la position du r´ecepteur en trois dimensions, X, Y et Z, et la d´erive de son horloge par rapport `a celle des satellites. Un calcul en mode d´egrad´e est cependant possible avec seulement trois satellites si l’altitude du v´ehicule est connue. Lorsque plus de quatre satellites sont visibles, le syst`eme d’´equations `a r´esoudre est surabondant, rendant possible l’estimation des erreurs de positionnement. Le point d´elicat du positionnement par GPS provient de la difficult´e `a synchroniser les horloges atomiques des satellites et celle, moins pr´ecise, du r´ecepteur. Une erreur d’un millioni`eme de seconde provoque un d´ecalage de 300 m`etres sur la position. Le r´ecepteur ne peut bien entendu pas b´en´eficier d’une horloge atomique comme c’est le cas des satellites en raison du coˆut de fabrication. Il doit n´eanmoins disposer d’une horloge assez stable, mais dont l’heure n’est a priori pas synchronis´ee avec celle des satellites.

Diff´erents facteurs viennent affecter la pr´ecision de l’information de localisation fournie par un r´ecep-teur GPS :

notamment lors du passage dans l’ionosph`ere et la troposph`ere. Ce d´elai est sensiblement identique pour deux r´ecepteurs proches l’un de l’autre et cause donc une erreur appel´ee erreur commune ; − les multi-trajets de l’onde ajoutent un d´elai qui est sp´ecifique au r´ecepteur appel´e erreur

non-commune. Lorsque le r´ecepteur GPS se situe dans un canyon (gorges, montagne ou milieu urbain), une r´eflexion de l’onde ´electromagn´etique contre une surface (typiquement un immeuble en milieu urbain) augmente le temps de propagation du signal jusqu’au r´ecepteur et par cons´equent la pseudo-distance mesur´ee ;

− les bruits de r´eception, sp´ecifiques au r´ecepteur, affectent ´egalement le positionnement. Ces erreurs sont incluses dans l’erreur non-commune.

Bien que le GPS offre un service honorable pour la navigation du v´ehicule, sa pr´ecision n’est pas suffisante. L’erreur moyenne de positionnement est d’environ 10 m`etres [194]. L’´etude [195] confirme ce r´esultat en comparant les erreurs de positionnement d’un syst`eme GPS traditionnel avec un GPS Real Time Kinematic (RTK) utilis´e en tant que r´ef´erence et fournissant une position pr´ecise de l’ordre de quelques centim`etres. En ´ecartant 5% de donn´ees aberrantes, les r´esultats ont montr´e une erreur de positionnement du GPS traditionnel de 10 m. Ainsi, cette erreur de positionnement ne permet pas, par exemple, `a un syst`eme embarqu´e de d´eterminer sur quelle voie de circulation se trouve le v´ehicule. Les applications des ITS auront besoin d’une localisation plus pr´ecise des v´ehicules. La question se pose alors de mettre en œuvre des techniques pour am´eliorer la pr´ecision du GPS.

[196] propose un ´etat de l’art des techniques permettant l’am´elioration du positionnement en utilisant d’autres informations sur les ´equipements :

− Il existe des syst`emes de navigation `a l’estime (dead reckoning systems) qui couplent la mesure de la position GPS aux mesures d’autres capteurs (odom`etre, gyroscope...). Cependant, ces syst`emes ne peuvent ˆetre utilis´es que sur de courtes p´eriodes (typiquement en tunnel) car leurs erreurs de mesure d´erivent avec le temps. Par exemple, dans le cas d’un v´ehicule circulant `a 100 km/h, une erreur de plus de 20 m`etres est `a pr´evoir avec un syst`eme de navigation `a l’estime utilis´e durant 30 secondes.

− L’utilisation de stations de base permet d’am´eliorer le positionnement des v´ehicules. Ces stations ont une position fixe connue par les v´ehicules. Chaque v´ehicule calcule la distance qui le s´epare des stations de base grˆace au temps ´ecoul´e entre l’´emission des signaux par les stations de base et leur r´eception par le v´ehicule. Dans sa zone de port´ee de communication, la pr´esence de trois stations de base permet `a un v´ehicule de connaˆıtre sa position grˆace `a une simple triangulation. Cependant cette solution est coˆuteuse car il faudrait ´equiper les bords de route avec un nombre important de stations de base (trois stations par zone de port´ee soit au minimum trois stations pour 1 km2). − La localisation grˆace `a l’usage de vid´eos ou d’images peut ˆetre une solution en particulier pour

obtenir le positionnement au niveau des voies de circulation des v´ehicules.

− La corr´elation cartographique (map matching) peut ˆetre utilis´ee si le v´ehicule circule sur une route en combinant les donn´ees de positionnement du v´ehicule `a celles de la cartographie de l’infrastructure routi`ere afin de repositionner le v´ehicule sur la route la plus proche.

− Le positionnement coop´eratif distribu´e permet d’am´eliorer le positionnement d’un v´ehicule en uti-lisant la connaissance de la position des autres v´ehicules [197, 198].

Parmi les propositions, [11] a mis au point une nouvelle approche pour am´eliorer le positionnement des v´ehicules `a l’aide des applications Cooperative Map Matching (CMM) et Dynamic base station de

base Differential GPS (DDGPS). Cet algorithme comporte deux ´etapes :

− dans la premi`ere ´etape, la partie de l’application locale au v´ehicule int`egre les contraintes de l’infra-structure routi`ere des v´ehicules coop´eratifs voisins `a un saut sur son propre algorithme de corr´elation cartographique CMM ;

− dans la seconde ´etape, les parties de l’application locales aux v´ehicules partagent entre elles leurs corrections des valeurs de pseudo-distance re¸cues par le GPS compensant ainsi l’erreur commune d’un satellite GPS. Les v´ehicules sont dans cette ´etape assimilables `a des “stations de base dyna-miques” DDGPS.

Les travaux de [11] ont montr´e que l’usage de v´ehicules voisins en tant que satellites virtuels permet-tait de r´eduire l’erreur de positionnement si la densit´e de v´ehicules est suffisante (figure 5.14). Plus il y a de v´ehicules voisins, plus l’erreur de positionnement et son ´ecart type diminuent. Par exemple, avec 8 v´ehicules ex´ecutant l’algorithme CMM, l’erreur de positionnement passe `a 7 m et l’´ecart type `a 3 m. L’´ecart type de l’erreur de positionnement est une donn´ee importante en termes de sˆuret´e de fonction-nement du syst`eme v´ehiculaire. Le risque d’int´egrit´e sur la position est d’autant plus r´eduit que l’´ecart type est faible.

(a) Erreur du GPS (b) Ecart type de l’erreur du GPS

Figure 5.14 – Utilisation de la localisation distribu´ee coop´erative en fonction du nombre de v´ehicules ex´ecutant l’application CMM - source : [11]

Les m´ethodes CMM et DGPS sont r´esum´ees ci-apr`es. Les variables n´ecessaires `a ces m´ethodes sont pr´esent´ees, notamment celles distribu´ees qui n´ecessitent un ´echange de leurs valeurs entre les v´ehicules communicants.

5.2.2 Pr´esentation de l’application de corr´elation cartographique coop´erative

(CMM)

La figure 5.15 illustre les diff´erentes ´etapes de la m´ethode CMM selon le point de vue du v´ehicule blanc. Pour chaque v´ehicule, la position calcul´ee par le r´ecepteur GPS au moyen des pseudo-distances est signal´ee par un point rouge, la position r´eelle l’est par un point vert. L’ellipse rouge repr´esente l’incertitude sur la position calcul´ee. L’algorithme CMM se d´eroule ainsi.

Soit ρ(i)j la pseudo-distance associ´ee au satellite j et mesur´ee par le v´ehicule i. ρ(i)j est entach´ee d’erreurs :

ρ(i)j = D(i)j − cδt(i)+ ςj(i)+ η(i) (5.2)

avec                       

ρ(i)j : la pseudo-distance associ´ee au satellite (j ) et mesur´ee par l’application du v´ehicule i Dj(i): la distance r´eelle entre le satellite (j ) et le v´ehicule (i )

c : la c´el´erit´e de l’onde ´electromagn´etique δt(i): l’erreur de synchronisation des horloges ςj(i): les erreurs communes

ηi: les erreurs non communes

Une fois que l’algorithme du v´ehicule blanc (i) a mesur´e la pseudo-distance ρ(i)j de chaque satellite visible (j), l’algorithme CMM calcule la position GPS ( ˜X(i) = [˜x(i), ˜y(i), ˜z(i)]) et la covariance de cette position. Il limite l’incertitude de la position GPS en appliquant les contraintes routi`eres `a cette position (algorithme de map matching). La position du v´ehicule blanc est alors incluse dans la zone hachur´ee en blanc de l’illustration (a) de la figure 5.15.

L’application exploite ensuite la propri´et´e suivante : “les erreurs communes ςj(i)li´ees `a chaque satellite visible (j) conduisent au mˆeme biais de la position GPS pour chaque v´ehicule (i) dans un mˆeme voisinage” [11].

En recevant, via une liaison V2V, les mesures de pseudo-distance du v´ehicule bleu (v) et en calculant `

a la fois la position GPS du v´ehicule bleu ˜X(v)et la covariance de sa position, l’algorithme du v´ehicule blanc (i) restreint `a nouveau l’incertitude de sa position en appliquant les contraintes de la cartographie routi`ere de ce v´ehicule `a sa propre position (figure 5.15b). Les contraintes cartographiques des autres v´ehicules s’appliquent au v´ehicule blanc (i) “seulement si le mˆeme ensemble de satellites est utilis´e dans le calcul de la position de tous les v´ehicules” [11]. De cette fa¸con, la position estim´ee ˆX(i) du v´ehicule blanc (i) est am´elior´ee `a partir de la connaissance de la position des v´ehicules `a proximit´e (figure 5.15c).

(a) ´Etape 1 (b) ´Etape 2

(c) ´Etape 3

Figure 5.15 – Utilisation de la localisation distribu´ee coop´erative - source [11]

Par cons´equent, en termes de besoins de communication, la fonction CMM exige que

chaque v´ehicule (i) diffuse ses mesures de pseudo-distance ρ(i)j pour chaque satellite visible

(j) `a son voisinage proche.

5.2.3 Pr´esentation de la station de base dynamique (DDGPS)

Selon [11], la fonction DDGPS permet `a chaque v´ehicule de corriger son estimation de position sur la base de la connaissance partag´ee des informations de correction de biais d’erreurs pour chaque satellite visible. `A cette fin, chaque v´ehicule calcule une correction de pseudo-distance ∆ρ(i)j pour chaque satellite visible (j) (´equation 5.3).

∆ρ(i)j = ˆDj(i)− ρ(i)j (5.3)

o`u ˆDj(i)est la distance g´eom´etrique entre la position du satellite (j) et l’estimation de position ˆX(i)

par (i) ; ˆX(i) peut avoir ´et´e pr´ec´edemment obtenu avec l’application CMM ou tout autre syst`eme de positionnement. Par cons´equent, chaque v´ehicule r´ecepteur (r) peut g´en´erer un ensemble de corrections diff´erentielles de pseudo-distances ρ(i)j,corr pour chaque satellite visible j (ρ(i)j,corr= ρ(r)j + ∆ρ(i)j ).

Cependant, il peut arriver qu’un v´ehicule (r) re¸coive plusieurs corrections de pseudo-distances de diff´erents v´ehicules pour un mˆeme satellite (j). Dans ce cas, il doit fusionner les corrections de pseudo-distances suivant si ces donn´ees sont ind´ependantes ou non. Par cons´equent, l’application DDGPS fournit et transmet avec chaque valeur de ∆ρ(i)j deux autres informations : d’une part, la variance des corrections de pseudo-distances σj(i)qui d´ecrit le niveau de confiance de la valeur ∆ρ(i)j et, d’autre part, la liste des identifiants des v´ehicules qui ont ´et´e impliqu´es dans le calcul de chaque correction d’erreur.

Ainsi, lorsqu’un v´ehicule re¸coit plusieurs ensembles de corrections de pseudo-distances, il peut les fusionner apr`es avoir v´erifi´e que ces donn´ees soient ind´ependantes : si les listes des identifiants de v´ehicules sont disjointes, les donn´ees sont ind´ependantes. Dans ce cas, le v´ehicule r´ecepteur (r) utilise une moyenne pond´er´ee pour fusionner les corrections re¸cues, il calcule la nouvelle variance (voir [11]) et il fusionne les listes d’identifiants. Lorsque les listes ne sont pas disjointes, les donn´ees ne sont pas ind´ependantes. L’algorithme DDGPS ne conserve que la correction de pseudo-distance ∆ρ(i)j qui a la plus petite valeur de σ(i)j .

Donc, en termes de besoins de communication, la fonction DDGPS exige que chaque

ehicule (i) envoie un message contenant les identifiants des satellites (j) ; la valeur ∆ρ(i)j ;

la valeur σ(i)j ; et la liste des identifiants des v´ehicules impliqu´es dans la correction de cette erreur.

5.2.4 Adaptation de l’application au sch´ema CBL et mod´elisation

Il est important de noter que la d´efinition des nœuds branche et des nœuds feuille du sch´ema CBL g´en`ere, `a un moment donn´e, des groupes disjoints de nœuds. Chaque groupe est identifiable par son nœud branche. Nous proposons d’utiliser cette ind´ependance des groupes de nœuds feuille, form´es autour des nœuds branche, pour l’application DDGPS afin de r´eduire la taille des messages applicatifs en omettant la liste des identifiants des v´ehicules impliqu´es dans la correction d’erreur. Par cons´equent, nous fixons que :

− seuls les nœuds feuille (i) envoient leurs mesures de pseudo-distances ρ(i)j pour chaque satellite visible (j) `a destination de leur nœud branche relais qui ex´ecute la fonction CMM ;

− les nœuds branche (i) ex´ecutent `a la fois les applications CMM et DDGPS pour calculer les donn´ees de correction pour chaque satellite visible j ;

− seuls les nœuds branche sont autoris´es `a relayer, vers les nœuds branche en amont de leur chaˆıne et de leurs nœuds feuille attach´es, les messages DDGPS contenant un ensemble de corrections de pseudo-distances ∆ρ(i)j et σ(i)j .

Dans notre impl´ementation des applications CMM et DDGPS, les nœuds branche jouent le rˆole de station de base dynamique. Les messages DDGPS sont relay´es uniquement par les nœuds branche en amont de la chaˆıne. Ainsi la structure CBL permet de garantir l’ind´ependance des donn´ees de correction d’erreur sans avoir `a transf´erer la liste des identifiants de v´ehicules impliqu´es dans le processus de cor-rection. Cela permet de restreindre la taille des messages `a envoyer et, ainsi, l’usage des ressources de communication du m´edium limit´ees en bande passante.

Par cons´equent, les messages du DDGPS ne contiendront que les informations suivantes pour chaque correction : l’identifiant du satellite j, σ(i)j , ∆ρ(i)j .

5.2.4.1 Format des paquets de l’application CMM adapt´e `a CBL

Les paquets de l’application CMM sont d´efinis en figure 5.16. Ils se composent de plusieurs couples de champs de 32 bits contenant chacun un identifiant d’un satellite (j) et la valeur de pseudo-distance re¸cue par le v´ehicule (i) de ce satellite (ρ(i)j ). Ainsi, 64 bits codent chaque satellite visible.

0 1 2 3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 Identifiant du satellite j

Mesure de pseudo-distance ρ(i)j pour le satellite j ...

Identifiant du satellite k

Mesure de pseudo-distance ρ(i)k pour le satellite k

0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1

Identifiant du satellite j

Variance de la correction de pseudo-distance σ(i)j pour le satellite j

Correction de pseudo-distance ∆ρ(i)j pour le satellite j ...

Identifiant du satellite k

Variance de la correction de pseudo-distance σk(i)pour le satellite k

Correction de pseudo-distance ∆ρ(i)k pour le satellite k

Figure 5.17 – Format des paquets d’application DDGPS envoy´es par les nœuds branche `a leurs nœuds

feuille et au nœud branche en amont.

Pour r´ealiser l’analyse des performances de l’impl´ementation de CMM sur le sch´ema CBL-OLSR,

les messages CMM seront envoy´es en mode unicast par les nœuds feuille `a leur nœud branche relais

(voir 5.2.4.3).

5.2.4.2 Format des paquets de l’application DDGPS adapt´e `a CBL

Les paquets de l’application DDGPS sont d´efinis figure 5.17. Ils se composent de plusieurs ensembles de trois champs de 32 bits contenant chacun l’identifiant d’un satellite visible (j), la variance de correction (i)j ) et la correction de pseudo-distance ∆ρ(i)j . Ainsi, 96 bits codent chaque satellite visible.

Pour r´ealiser l’analyse des performances de la mise en œuvre de l’application DDGPS sur le sch´ema CBL, les messages DDGPS seront envoy´es en mode multicast par les nœuds branche `a leur nœud feuille ´elus et `a leur nœud branche en amont de la chaˆıne.

5.2.4.3 Diagramme temporel de fonctionnement des applications CMM et DDGPS

La figure 5.18 illustre une s´equence d’envoi de messages applicatifs CMM et DDGPS dans un r´eseau VANET `a six nœuds. Les nœuds N3, N5 et N6 sont trois nœuds branche successifs d’une mˆeme chaˆıne ; le nœud N3 est en aval du nœud N5 qui est en aval du nœud N6. Les nœuds N1, N2 et N4 sont des nœuds feuille ayant ´elu comme nœud branche relais le nœud N3.

Les nœuds feuille N1, N2 et N4 envoient chacun un message applicatif CMM contenant leurs mesures de pseudo-distance avec les identifiants de satellites `a destination de leur nœud branche relais (nœud N3). Ensuite, le nœud N3, apr`es avoir ex´ecut´e l’application CMM, puis l’application DDGPS, envoie un message applicatif DDGPS `a ses nœuds feuille (nœuds N1, N2 et N4) et au nœud branche amont (N5) avec comme valeurs ∆ρ(3)j et σj(3) et σ(3)j . Les nœuds r´ecepteurs calculent de nouveau et affinent leur position avec ces informations. Enfin, le nœud branche N5, qui n’a pas de nœuds feuille ´elus dans cet exemple, retransmet simplement un message applicatif DDGPS avec la mise `a jour de la correction et de la variance de la pseudo-distance `a son nœud branche amont N6. Cette mise `a jour prend en compte les propres mesures de pseudo-distance du nœud N5 et ses contraintes routi`eres.

5.2.5 Evaluation de performances par la simulation´

L’´evaluation de performances de l’application CMM-DDGPS avec notre proposition de protocole de routage CBL-OLSR fait l’objet de cette section. Pour cette ´evaluation men´ee sous OPNET Riverbed Modeler, nous avons choisi un sc´enario de mobilit´e r´ealiste comprenant l’autoroute A27. Nous avons choisi le sc´enario S12 qui comporte le plus grand nombre de nœuds afin d’estimer si le r´eseau de communication mettant en œuvre notre proposition supporte bien le trafic applicatif CMM-DDGPS.

Sens O − E N6 N3 N5 N1 N4 N2 LEGENDE

F euille Branche F euille élu Chaîne

´

Echange de messages CMM et DDGPS (S correspond `al’ensemble des satellites visibles) Situation sur la route

Nœud 1 (Feuille) Nœud 2 (Feuille) Nœud 3 (Branche) Nœud 4 (Feuille) Nœud 5 (Branche) Nœud 6 (Branche) CMM message avec {ρ(1) j }j∈S CMM message avec {ρ(2) j }j∈S CMMmessage avec {ρ (4) j}j∈S ( Exécute l0application CM M Calcule {(∆ρ(3) j , σ(3) j )} DDGPS message {(∆ρ(3)j , σ(3)j )}j∈S DDGPS message {(∆ρ(3) j , σ(3) j )}j∈S DDGPS message {(∆ρ(5) j , σ(5) j )}j∈S n Applique {∆ρ(5) j} n Applique {∆ρ(3)j } n Applique {∆ρ(3)j} nApplique {∆ρ(3)j } Applique {∆ρ(3) j } Exécute l0application CM M Calcule {(∆ρ(5) j , σ(5) j )}

Figure 5.18 – S´equence d’envoi de messages applicatifs CMM-DDGPS pour un VANET compos´e de 6

nœuds

La configuration du simulateur OPNET Riverbed Modeler est identique `a celle pr´esent´ee en sec-tion 3.3.2.1 et dans le tableau 3.9. Concernant le trafic de routage, nous avons param´etr´e les nœuds avec le cas A pr´esent´e dans le tableau 4.4. Les simulations sont ex´ecut´ees durant 300 s, mais les statistiques ne sont enregistr´ees qu’`a partir de 200 s.

Les applications CMM et DDGPS sont ex´ecut´ees en parall`ele. Nous avons fait varier la fr´equence d’envoi des messages applicatifs CMM et DDGPS de 2 Hz `a 20 Hz avec un pas de 2 Hz (soit un intervalle d’attente entre deux messages de 50 ms `a 500 ms). Nous avons fix´e le nombre de satellites visibles `a 12 satellites (le nombre minimal, maximal et moyen de satellites GPS visibles est respectivement de 4, 24 et 10 [199]). Ainsi, avec un en-tˆete de 128 bits d´efini par le protocole OLSR, les nœuds feuille envoient un paquet CMM de 896 bits et les nœuds branche un paquet DDGPS de 1280 bits. Pour chaque fr´equence d’envoi de messages applicatifs configur´ee, la simulation est ex´ecut´ee 10 fois avec des valeurs diff´erentes de seed pour l’initialisation du g´en´erateur de nombre al´eatoire du logiciel OPNET Riverbed Modeler afin d’´eviter une configuration du r´eseau particuli`ere.

Les m´etriques de performances applicatives (Ma - M´etriques applicatives) utilis´ees pour cette