Low Latency Radio and Visible Light Communication For Autonomous Driving - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2021

Low Latency Radio and Visible Light Communication For Autonomous Driving

Communication radio à faible latence et transmission pour lumière visible pour conduite autonome

Abstract

From the beginning of the automotive industry, the car was long seen as simply an- other means of transport. Now, inside a vehicle, we can listen to music, regulate the temperature, open the windows automatically, charge a smartphone, benefit from acoustic insulation from the noisy outside with a silent electric motor. All this makes the journey more pleasant, but safety applications are still not the main focus. Al- though vehicles already have a certain number of passive safety systems such as seat belts, airbags, etc, and more recently, cars are being equipped with active safety systems such as Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), these systems remain basic in the sense that they are not connected. The automotive field is currently undergoing a massive transformation, with the car becoming a connected device and efforts are being made to develop automated driving vehicles with sophisticated active safety systems. In this context, Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) will play an essential role in the future of the automotive industry, allowing new usages and new services to be offered, the main focus being on their support of safety applications. Nowadays, the number of road accidents is continuing to increase, and human losses are becoming more and more considerable. In a connected vehicle, receiving a message within a few milliseconds can be enough to save a life, if the driver receives a Decentralized Environmental Notification Message (DENM) in time. Thus, latency is a very important metric to be taken into account in the design of the new generation of VANETs. Also, for critical applications, the system must be ultra-reliable since any failure may have fatal consequences. For example, augmented perception for autonomous vehicles will be revolutionized by the upcoming technologies for Vehicle- to-Everything (V2X): 5G (The fifth generation) NR (New Radio) & 802.11bd. In fact, the database for autonomous driving, which initially contains information obtained from sensors (radar, camera, etc.), will be completed with information coming from Cooperative Awareness Messages (CAMs) and Collective Perception Messages (CPMs). Thus, the supervision system of the vehicle will be able to react more efficiently to any situation on the road, and maneuver quickly if any unexpected event occurs. As our highways become increasingly congested, for a better traveling experience, Intelligent Transportation Systems (ITSs) organizations plan to optimize road utilization and traffic management. To address current mobility issues, conventional vehicle systems for traffic flow like Adaptive Cruise Control (ACC) are not sufficient. This ACC system adjusts the vehicle's speed automatically based on information from vehicles in front. A more dynamic regulation strategy requires a cooperative system that will provide more information on the positions, speeds and accelerations of neighboring vehicles. Thanks to this cooperative system, new vehicular applications can be established (an example of such a system being Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC)). Platooning is one of the best-known applications that can enhance road capacity. In fact, by optimizing the distance between vehicles, road infra-structure capacity can increase by over 30%. By using the same concept, the air drag is reduced: researchers have shown that up to 20% of energy can be saved. From a network point of view, reducing the distance between vehicles will make it possible to establish new point-to-point communication links between the vehicles in front and behind, thus providing an opportunity to have a hybrid communication. The subject of this thesis is vehicular wireless networks and, more precisely, the use of radio transmission and communication by light to improve vehicle safety. The thesis is motivated by the unreliability and scalability issues of the IEEE 802.11p standard. The idea is to move towards new techniques, particularly within future 803.11bd standards, and associate radio transmission with Visible Light Communication (VLC) to allow for hybrid communication. The first part of the thesis concerns the development of low latency access techniques in vehicular networks within the framework of future standards. The aim of this fi rst part is to propose a Medium Access Control (MAC) layer that is based on the Time Division Multiple Access (TDMA) technique, enhanced with a mechanism that allows nodes to benefit from reliable, low latency access on demand. This part also introduces a special access scheme for high-priority emergency packets, while still ensuring reliable, low latency access. We complete this study by a mathematical analysis of the performance of this scheme, to show its high performances. In addition, we propose an original message forwarding strategy based on a Cross-Layer solution for disseminating Emergency Messages in a multi-hop manner (exploiting the relation between the MAC and network layers). The second part of the thesis deals with VLC to coordinate maneuvers in vehicular networks. The advantages of wireless communications for platoon control are, among other things, improved chain stability (which consequently improves safety and allows a smaller gap between vehicles), vehicle grouping as well as maneuvering of separation. While the importance of wireless communications to the platoon is well recognized, certain aspects of communications have not been thoroughly investigated in previous projects. One such aspect is the coexistence of VLC with radio vehicular communication technologies in a heterogeneous system to improve the overall performance (each vector of communication compensating for the drawbacks of the other). The idea is to develop an algorithm that selects the radio communication proposed in Part 1, and visible light communication for autonomous driving, based on the state of the radio channel and platoon alignment.
Depuis le début de l'industrie automobile, la voiture a longtemps été considérée comme un simple moyen de transport. Désormais, à l'intérieur d'un véhicule, on peut écouter de la musique, réguler la température, ouvrir les vitres automatique- ment, recharger un smartphone, bénéficier d'une isolation acoustique de l'extérieur bruyant avec un moteur électrique silencieux. Tout cela rend le voyage plus agréable, mais les applications de sécurité ne sont toujours pas au centre des préoccupations. Bien que les véhicules disposent déjà d'un certain nombre de systèmes de sécurité passive tels que ceintures de sécurité, coussins gonflables, etc., et plus récemment, les voitures sont équipées de systèmes de sécurité active tels que les systèmes avancés d'assistance à la conduite ADAS (Advanced Driver Assistance System), ces systèmes restent fondamentaux dans le sens qu'ils ne sont pas connectés. Le domaine de l'automobile subit actuellement une transformation massive; la voiture devenant un appareil connecté et des efforts sont déployés pour développer des véhicules à conduite automatisée dotés de systèmes de sécurité active sophistiqués. Dans ce contexte, les réseaux véhiculaires appelés VANETs (Vehicular Ad hoc Networks) joueront un rôle essentiel dans l'avenir de l'industrie automobile, permettant de proposer de nouveaux usages et de nouveaux services. L'accent étant mis principalement sur la prise en charge des applications de sécurité. De nos jours, le nombre d'accidents de la route continue d'augmenter et les pertes humaines sont de plus en plus importantes. Dans un véhicule connecté, recevoir un message en quelques millisecondes peut suffire à sauver une vie si le conducteur reçoit à temps un message DENM (Decentralized Environmental Notification Message). Ainsi, la latence est une métrique très importante à prendre en compte dans la conception de la nouvelle génération de VANET. Aussi, pour les applications critiques, le système doit être ultra- fiable car toute panne peut avoir des conséquences fatales. Par exemple, la perception augmentée pour les véhicules autonomes sera révolutionnée par les technologies à venir pour Véhicule-à-Tout (V2X, Vehicle-to-Everything): 5G NR & 802.11bd. En effet, la base de données pour la conduite autonome, qui contient initialement des informations obtenues a partir de capteurs (radar, caméra, etc.), sera complétée par des infor- mations provenant des messages CAMs (Cooperative Awareness Messages) et des messages de perception collective CPMs (Collective Perception Messages). Ainsi, le système de supervision du véhicule pourra réagir plus efficacement à toute situation sur la route, et manœuvrer rapidement en cas d'évènement inattendu. Alors que nos autoroutes deviennent de plus en plus encombrées, pour une meilleure expérience de voyage, les organisations des ITSs (Intelligent Transportation Systems) prévoient d'optimiser l'utilisation des routes et la gestion du traffic. Pour faire face aux problèmes de mobilité actuels, les systèmes de véhicules conventionnels pour la circulation comme le régulateur de vitesse adaptatif ACC (Adaptive Cruise Control) ne sont pas suffisants. Ce dernier système ajuste automatiquement la vitesse du véhicule en fonction des informations des véhicules qui précèdent. Une stratégie de régulation plus dynamique nécessite un système coopératif qui fournira plus d'informations sur les positions, les vitesses et les accélérations des véhicules voisins. Grâce à ce système coopératif, de nouvelles applications véhiculaires peuvent être établies (un exemple d'un tel système étant le régulateur de vitesse adaptatif coopératif CACC (Cooperative Adaptive Cruise Control)). Le peloton est l'une des applications les plus connues qui peuvent améliorer la capacité routière. En effet, en optimisant la distance entre les véhicules, la capacité des infrastructures routières peut augmenter de plus de 30%. En utilisant le même concept, la traînée de l'air est réduite tel que démontré par les chercheurs qui ont affirmé que jusqu'à 20% d'énergie peut être économisée. D'un point de vue réseau, la réduction de la distance entre les véhicules permettra d'établir de nouvelles liaisons de communication point à point, entre les véhicules à l'avant et à l'arrière, offrant ainsi l'opportunité d'avoir une communication hybride. Le sujet de cette thèse porte sur les réseaux sans fil véhiculaires et, plus précisément, sur l'utilisation de la transmission radio et de la communication par la lumière pour améliorer la sécurité des véhicules. La thèse est motivée par les problèmes de fiabilité et d'évolutivité de la norme IEEE 802.11p. L'idée est d'évoluer vers de nouvelles techniques, notamment dans les futures normes 803.11bd, et d'associer la transmission radio à la communication en lumière visible (VLC, visible light communication) pour permettre une communication hybride. La première partie de la thèse concerne le développement de techniques d'accès à faible latence dans les réseaux véhiculaires dans le cadre des futures normes. L'objectif de cette première partie est de proposer une couche MAC (Medium Access Control) basée sur la technique TDMA (Time Division Multiple Access), enrichie d'un mécanisme permettant aux nœuds de bénéficier d'un accès fiable et à faible latence à la demande. Cette partie introduit également un schéma d'accès spécial pour les paquets d'urgence de haute priorité, tout en garantissant un accès fiable et à faible latence. Nous complétons cette étude par une analyse mathématique des performances de ce schéma, pour montrer ses hautes performances. De plus, nous proposons une stratégie originale de transmission de messages basée sur une solution Cross-Layer pour diffuser les messages d'urgence de manière multi-hop (exploitant la relation entre les couches MAC et réseau). La deuxième partie de la thèse traite de VLC pour coordonner les manœuvres dans les réseaux de véhicules. Les avantages des communications sans fil pour le contrôle des pelotons sont, entre autres, une meilleure stabilité de la chaîne (qui améliore par conséquent la sécurité et permet un plus petit écart entre les véhicules), le regroupe- ment des véhicules ainsi que les manœuvres de séparation. Bien que l'importance des communications sans fil pour le peloton soit bien reconnue, certains aspects des communications n'ont pas été étudiés en profondeur dans les projets précédents. Un de ces aspects est la coexistence de VLC avec les technologies de communication radio véhiculaire dans un système hétérogène pour améliorer les performances globales (chaque vecteur de communication compensant les inconvénients de l'autre). L'idée est de développer un algorithme qui sélectionne la communication radio proposée dans la partie 1, et la communication en lumière visible pour la conduite autonome, en fonction de l'état du canal radio et de l'alignement du peloton.
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Dates and versions

tel-03365068 , version 1 (05-10-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03365068 , version 1

Cite

Fouzi Boukhalfa. Low Latency Radio and Visible Light Communication For Autonomous Driving. Computer Science [cs]. EDITE, 2021. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03365068⟩

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