1.1.2 Contraintes impos´ees par le contexte routier . . . 35 1.1.3 Passage `a l’´echelle . . . 35 1.2 Protocoles de routage pour les r´eseaux mobiles ad hoc . . . 36 1.2.1 Introduction . . . 36 1.2.2 Etablissement des liens logiques du r´´ eseau . . . 37 1.2.3 Modes de communication . . . 40 1.2.4 Recherche de route par diss´emination de requˆetes . . . 42 1.3 Strat´egies de routage pour le contexte v´ehiculaire . . . 45 1.3.1 Strat´egies et informations contextuelles propres aux syst`emes routiers . . . 45 1.3.2 Strat´egies de routage et m´etriques de qualit´e de service . . . 53 1.4 Conclusion . . . 56
1.1
Introduction aux r´eseaux de communication v´ehiculaires
Les syst`emes de transports intelligents, Intelligent Transportation System (ITS), int`egrent de nouvelles technologies de l’information et de la communication aux applications du domaine des transports pour les am´eliorer. Actuellement, le domaine des ITS connaˆıt une rapide transformation avec de forts enjeux ´economiques et politiques en vue de construire la ville intelligente de demain. Cette ville int´egrera la route de cinqui`eme g´en´eration o`u chaque entit´e du syst`eme sera connect´ee et intelligente (figure 1.1).
Les r´eseaux de communication v´ehiculaires, Vehicular Ad Hoc Network s (VANETs), font partie des ITS. Ils sont un cas particulier des r´eseaux mobiles ad hoc (Mobile Ad Hoc Network (MANET)). Leurs nœuds mobiles, aussi appel´es On-Board Unit (OBU), sont embarqu´es dans des v´ehicules qui se d´eplacent au sein d’un r´eseau routier. Ils subissent donc les mˆemes contraintes de mobilit´e que leur v´ehicule hˆote, contraintes provenant de la configuration du r´eseau routier, de ses r`egles de circulation et des caract´eris- tiques du trafic routier. Les ´etudes sur le domaine des VANETs sont nombreuses [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Elles consid`erent les VANETs comme des Mobile Ad Hoc Network s (MANETs) `a forte mobilit´e, sans prendre davantage en compte les contraintes de leur environnement.
La terminologie VANETs regroupe trois architectures diff´erentes, illustr´ees en figure 1.2.
L’architecture de communication entre v´ehicules et infrastructure, Vehicle to Infrastructure (V2I), utilise des unit´es de bord de route, appel´ees Road Side Unitss (RSUs), d´eploy´ees en bord de chauss´ee `a intervalles r´eguliers. Ces ´equipements r´ealisent l’´etablissement des communications entre l’infrastructure et les v´ehicules. C’est une architecture de r´eseau `a gestion centralis´ee, administr´ee par le gestionnaire de voirie qui planifie et optimise le trafic de communication entre les ´equipements connect´es. Le coˆut de d´eploiement des RSUs d’une architecture Vehicle to Infrastructure (V2I) est non n´egligeable. Leur coˆut d’installation est estim´e `a environ 5000$ par borne selon [21], auxquels il faut ajouter des coˆuts de maintenance tout au long de leur cycle de vie. Si d’un point de vue des communications, une architecture centralis´ee peut sembler plus simple `a mettre en œuvre et `a exploiter, la gestion de l’obsolescence des ´equipements sur des kilom`etres de voirie, l’interop´erabilit´e des mat´eriels d’anciennes g´en´erations avec d’autres plus r´ecents, la compatibilit´e entre les diverses applications des ITS, et la continuit´e du service de communication V2I en cas de panne de RSUs sont des enjeux logistiques pour maintenir le bon fonctionnement de cette architecture.
L’architecture de communication inter-v´ehiculaire, Vehicle to Vehicle (V2V), repose sur les liens de communication entre les OBUs. Ces OBUs collaborent de mani`ere d´ecentralis´ee pour former un r´eseau ad hoc. L’architecture Vehicle to Vehicle (V2V) est ainsi modulaire et flexible. Elle peut supporter la panne d’un nœud du r´eseau, mais elle n´ecessite toutefois un nombre de nœuds suffisant `a port´ee de communi- cation pour que des communications puissent s’´etablir. Notons que ce nombre de nœuds correspond au taux de p´en´etration du syst`eme de communication dans le trafic routier. D’autre part, la mise en œuvre de l’architecture V2V fait appel `a des algorithmes de routage distribu´es dont les performances sont, par nature, plus complexes `a pr´edire par rapport `a ceux utilis´es dans une architecture centralis´ee. Enfin, la so- lution V2V, `a l’image de la solution pr´ec´edente V2I, sera confront´ee aux ´evolutions technologiques et, par cons´equent, `a l’organisation des mises `a niveau d’un parc de v´ehicules communicants technologiquement h´et´erog`enes.
La troisi`eme architecture, appel´ee hybride, associe `a la fois les syst`emes V2I et V2V. Dans ce mode de fonctionnement, les deux syst`emes devront se compl´eter et coop´erer afin d’assurer une continuit´e de service. En particulier, le syst`eme V2V pourra ˆetre une alternative dans les zones non couvertes par les RSU. V2V OBU OBU OBU RSU V2I
Figure 1.2 – Pr´esentation des diff´erentes architectures de communication V2V et V2I
Dans le contexte de cette th`ese, nous nous int´eressons plus particuli`erement aux communications V2V entre nœuds mobiles communicants sans l’intervention d’´el´ements d’infrastructure. Dans ce mod`ele, les nœuds sont soumis `a des contraintes qui, selon la configuration des routes et la densit´e du trafic routier,
n’auront pas le mˆeme impact sur les communications. Les contraintes sur les r´eseaux de communication v´ehiculaires ad hoc sont de trois ordres :
− les contraintes physiques impos´ees par le m´edium de communication (section 1.1.1) ; − celles impos´ees par le contexte routier (section 1.1.2) ;
− celles auxquelles l’auto-organisation du r´eseau sera confront´ee lors du passage `a l’´echelle (sec- tion 1.1.3).
1.1.1
Contraintes physiques inh´erentes au m´edium de communication
La propagation des ondes radio ´emises sur un m´edium est soumise `a des ph´enom`enes d’att´enuation et de distorsion d’une part, mais aussi de multi-trajets inh´erents aux r´eflexions, r´efractions et diffractions sur les obstacles rencontr´es par le signal dans des environnements de propagation tr`es vari´es : urbains, qui comptent de nombreux bˆatiments et intersections routi`eres, p´eri-urbains et autoroutiers, pour lesquels l’infrastructure apporte moins d’obstacles. Ces ph´enom`enes physiques, parfois d´efavorables `a l’´etablisse- ment des liens de communication, engendrent une d´egradation de la qualit´e et de la puissance du signal radio et sont des causes de pertes de paquets. L’affaiblissement de la puissance du signal est d’autre part responsable d’une port´ee radio limit´ee g´eographiquement `a quelques centaines de m`etres (de 300 `a 1000 m`etres pour une technologie Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802.11p [14]). L’usage du m´edium de communication pour des applications v´ehiculaires n´ecessite l’adoption d’une technologie radio dont la couche Medium Access Control (MAC) assure, d’une part le partage des res- sources de communication limit´ees en termes de d´ebit et de bande passante et, d’autre part les tentatives d’acc`es au m´edium de communication parfois concurrentes aux diff´erents nœuds du r´eseau. Ainsi, selon le nombre de nœuds `a port´ee radio et le nombre de demandes d’acc`es, les conditions de propagation des signaux pr´ec´edemment cit´es, les d´elais de transmission et les pertes de donn´ees plus ou moins importants, peuvent ˆetre observ´es dans un VANET.
1.1.2
Contraintes impos´ees par le contexte routier
Les nœuds des VANETs sont caract´eris´es par leur forte mobilit´e. Leurs vitesses varient de 0 km/h (v´ehicule `a l’arrˆet dans des embouteillages ou en r´eponse au code la route et `a la signalisation, par exemple) `a parfois plus de 130 km/h en France (sur autoroute avec d´epassement de la vitesse limite autoris´ee) ou sur les autoroutes allemandes qui n’ont pas de limitation de vitesse. Les directions de circulations peuvent ˆetre s´ecantes (aux intersections) ou oppos´ees (en urbain, p´eri-urbain et sur autoroutes `a double sens de circulation). Mais la mobilit´e des nœuds respecte les r`egles de circulation impos´ees par les infrastructures aux v´ehicules qui les embarquent. Cette mobilit´e est `a l’origine de dur´ees de connexions parfois tr`es courtes entre les v´ehicules communicants. Ainsi, les nœuds de deux v´ehicules qui roulent `a 130 km/h sur l’autoroute en sens inverse et dont la port´ee maximale des interfaces de communication est de 500 m n’´echangeront des informations que durant au maximum 15 secondes [14, 19, 22, 23].
Les variations de cette mobilit´e induites par celles de la vitesse au cours du temps et des interactions entre les v´ehicules [14, 19, 22, 24] sont ´egalement responsables des fortes variations topologiques du r´eseau de communications. Ces variations proviennent ´egalement de celles de la densit´e de trafic et des diff´erents ´etats de vigilance et habitudes de conduite des conducteurs [14, 19, 22, 25, 26].
La variation de densit´e de v´ehicules au cours du temps est importante et d´epend notamment du type de route et de l’´etat du trafic. En ville, un v´ehicule pourra la plupart du temps communiquer sans interm´ediaire avec une dizaine voire une centaine de nœuds voisins, avec une port´ee maximale des interfaces de communication de l’ordre de 500 m. En rase campagne, le manque de v´ehicules voisins conduira parfois `a une impossibilit´e de communication [14, 25]. Ainsi, des ph´enom`enes de congestion de paquets sont susceptibles de se produire dans le cas d’une densit´e ´elev´ee de v´ehicules, en raison des ressources de communication limit´ees du r´eseau. Une trop faible densit´e de v´ehicules engendrera des connexions intermittentes et sporadiques qui pourront empˆecher l’information d’ˆetre d´elivr´ee [19].
1.1.3
Passage `a l’´echelle
Le nombre de capteurs `a bord des v´ehicules et la p´en´etration des syst`emes communicants au sein du march´e automobile vont augmenter d’ann´ees en ann´ees. De fait, la quantit´e d’informations collect´ees et
´echang´ees au sein d’un VANET suivra la mˆeme tendance. La conception, la mod´elisation et l’´evaluation par simulation d’un protocole de routage adapt´e au VANET doit inclure des sc´enarios permettant d’an- ticiper le passage `a l’´echelle en terme de nombre de nœuds connect´es et de flux de donn´ees ´echang´ees, d’´evolution des contraintes physiques des technologies de t´el´ecommunication en terme de port´ee, et enfin de l’impact du terrain routier sur la connectivit´e du syst`eme global.