Low Latency Radio and Visible Light Communication For Autonomous Driving
Communication radio à faible latence et transmission pour lumière visible pour conduite autonome
Résumé
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 first 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.