Safety in transportation systems is of paramount concern to society; many improvements have been made in recent decades and yet thousands of fatalities still occur annually. Work zones in particular are areas with increased safety risks in transit networks. Advances in electronics have now allowed engineers to merge powerful computing and communication technologies with modern automotive and vehicular technology, known as connected vehicle. Connected vehicle will allow vehicles to exchange data wirelessly with each other and infrastructure to improve safety, mobility and sustainability. This thesis presents a paper that focuses on evaluating the impact of connected vehicle on work zone traffic safety. A dynamic route guidance system based on decaying average-travel-time and shortest path routing was developed and tested in a microscopic traffic simulation environment to avoid routes with work zones. To account for the unpredictable behaviour and psychology of driver’s response to information, three behaviour models, in the form of multinomial distributions, are proposed and studied in this research. The surrogate safety measure improved Time to Collision was used to gauge network safety at various market penetrations of connected vehicles. Results show that higher market penetrations of connected vehicles decrease network safety due to increased average travel distance, while the safest conditions, 5%-10% reduction in critical Time to Collision events, were observed at market penetrations of 20%-40% connected vehicle, with network safety strongly influenced by behaviour model. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Les réseaux véhiculaires font l'objet de recherches actives aussi bien dans le domaine des réseaux que dans celui des transports. Le potentiel des réseaux véhiculaires à fournir des services comme l'information sur le trafic en temps réel ou sur les accidents font de cette technologie un domaine de recherche très important. Ces réseaux peuvent comporter des communications véhicule-à-véhicule (V2V), véhicule-à-infrastructure (V2I), ou une combinaison des deux. La norme IEEE 1609.4 est la spécification multicanal pour l'IEEE802.11p/WAVE des réseaux véhiculaires (VANETs). Elle utilise sept canaux, l'un étant un canal de contrôle (CCH) qui est écouté par les équipements de façon périodique, et les six autres canaux sont utilisés comme canaux de service (SCH). Elle définit également une division du temps en alternance entre les intervalles CCH et les intervalles SCH. L'objet de cette thèse de doctorat est d'évaluer les performances des réseaux VANETs dans le cas des communications véhiculaires sans infrastructure, et au niveau des couches inférieures du standard 802.11p. Dans la première partie, nous proposons une approche MAC d'allocation multicanal opportuniste dans un contexte sans infrastructure. Cette approche est conforme à la norme IEEE1609.4 -2010 de l'architecture WAVE pour un fonctionnement multicanal, et elle est conçue pour des applications de services de données (non urgentes), tout en assurant la transmission des messages de sécurité routière et des paquets de contrôle. Pour maintenir la qualité de service des deux types de messages (urgents et non-urgents) en exploitant la capacité du canal, deux solutions sont proposées. Dans la deuxième partie, lorsque le véhicule sélectionne son canal et contrôle son alternance temporelle entre CCH et SCH, il commence à transmettre ses paquets, en particulier sur le canal CCH, lesquels ont une durée de péremption. Nous présentons une approche visant à minimiser les collisions des émetteurs tout en évitant la contention de début d'intervalle, en particulier dans un contexte de densité élevée de véhicules. Même si les mécanismes proposés ci-dessus diminuent le taux de collision, il n'est pas possible de les supprimer complètement. Dans la troisième partie, nous traitons le problème des collisions entre les paquets diffusés sur le CCH, en particulier quand la charge des messages transmis dépasse la capacité du canal. Pour cela, nous proposons un nouveau mécanisme de codage réseau analogique adapté à la modulation QPSK pour les messages diffusés sur le CCH. Dans cette approche des symboles connus sont envoyés avant d'envoyer les paquets pour estimer les paramètres du canal et une solution explicite est utilisée pour inverser le système de la superposition de deux paquets

Les réseaux véhiculaires constituent une catégorie de réseaux sans fil mobiles à part entière et présentent l'originalité de permettre aux véhicules de communiquer les uns avec les autres mais aussi avec l'infrastructure quand elle existe. L'apparition des réseaux véhiculaires s'est accompagnée de l'apparition d'une myriade et variété d'applications potentielles allant de la sécurité à la gestion du trafic routier en passant par les applications de divertissement et de confort des usagers de la route. Ces applications ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des chercheurs, des constructeurs des automobiles et des opérateurs des télécommunications. Les applications d'information et de divertissement, pour lesquelles une grande quantité de contenus peut exister, exigent que les contenus engendrés soient propagés au travers des véhicules et/ou de l'infrastructure jusqu'à atteindre les utilisateurs intéressés tout en respectant les durées de vie potentiellement limitées des contenus. La dissémination de contenus pour ce type d'applications reste un défi majeur en raison de plusieurs facteurs tels que la présence de beaucoup de contenus, la connectivité très intermittente mais encore les intérêts potentiellement hétérogènes des utilisateurs. C'est à cette thématique que nous sommes intéressés dans cette thèse; Tout d'abord, nous nous proposons une nouvelle métrique qui calcule l'utilité apportée aux utilisateurs. Elle permet de mesurer leur satisfaction par rapport aux contenus reçus. Nous la jugeons nécessaire pour évaluer les performances d'une approche de dissémination pour les applications de confort par opposition à des applications de sécurité routière. Dans un deuxième temps, nous nous concentrons sur le développement d'un nouveau protocole de dissémination, appelé I-PICK, et d'une solution de sélection des nœuds relais, appelé I-SEND, pour disséminer les contenus d'information et de divertissement en tenant compte des préférences des utilisateurs par rapport aux contenus reçus. Notre proposition est fondée sur l'échange de messages périodiques permettant l'estimation des durées de contacts et la connaissance des préférences des utilisateurs. Ces informations sont ensuite utilisées, dans un premier temps, pour effectuer un ordonnancement efficace des contenus lors de la dissémination puis choisir les relais permettant de maximiser l'utilité des utilisateurs par rapport aux contenus reçus dans un environnement caractérisé par des faibles durées de communication. Au travers de simulations nous confirmons l'efficacité de notre approche. Pour conforter le fonctionnement de nos mécanismes, nous avons implanté dans un environnement réel nos propositions I-PICK et I-SEND. Au travers d'un scénario simple, nous avons mis en évidence des risques liés à l'hétérogénéité des machines ou bien encore la difficulté du paramétrage des temporisations. Ces premiers résultats positifs montrent l'intérêt de notre technique et ouvre des pistes d'amélioration. Notre dernière contribution concerne des mécanismes de réduction du trafic cellulaire à l'aide des communications opportunistes entre les véhicules. Quand un contenu est disponible auprès d'un serveur de contenus accessible par le réseau cellulaire, il est nécessaire de proposer une méthode efficace de sélection des sources initiales qui seront choisies pour télécharger puis disséminer les contenus. Nous optons pour une solution qui pourrait reposer sur technologie SDN ainsi que sur des communications opportunistes et qui permet de choisir les sources en tant que nœuds pouvant produire un maximum d'utilité en propageant les contenus. / Vehicular networks are a class of mobile wireless networks and have the originality of enabling vehicles to communicate with each other and also with the infrastructure when it exists. The advent of vehicular networks has been accompanied by the emergence of a myriad and a variety of potential applications that are not only restricted to road safety but span from traffic management to entertainment and comfort applications. These applications have received much interest from researchers, automobile manufacturers, and telecommunications operators. Information and entertainment applications, where a large amount of content can exist, require the dissemination of the generated content through vehicles and/or infrastructure until reaching interested users while respecting the potential limited lifetime of content. The content dissemination for this type of applications remains a major challenge due to several factors such as the presence of a large amount of content, an intermittent connectivity, and the heterogeneous interests of users. In this thesis we turn our attention to this topic. First, we propose a new metric that allows to measure the users satisfaction with respect to the received content. This metric is used to evaluate the performance of the dissemination schemes. Second, we focus on the development of a new dissemination protocol, named I-PICK, and a forwarder selection solution, named I-SEND, to disseminate information and entertaining content in vehicular networks while ensuring maximum satisfaction of the users preferences with respect to the received content. Our proposal is based on the exchange of periodic messages enabling the estimation of contact durations and the knowledge of user preferences. First of all, this information is used to conduct an efficient content scheduling during the dissemination, and then to select relay nodes for maximizing the utility to users. We confirm the efficiency of our approach through simulations. To strengthen the functioning of our mechanisms, we implemented our proposals I-PICK and I-SEND in a real environment. Through a simple scenario, we have highlighted the risks associated with the heterogeneity of the machines and even the difficulty of setting timers. These first positive results show the interest of our solutions and raise new questions to be addressed. Our last contribution concerns cellular traffic offloading schemes by exploiting vehicular opportunistic communications. We study the seed-vehicles selection problem as the first step toward bootstrapping cellular traffic offloading for content dissemination in vehicular networks. We propose a solution that takes advantage from the presence of the SDN technology as well as vehicular opportunistic communications to select as seeds the nodes that can produce maximum utility when propagating the content.

Les réseaux véhiculaires font l’objet de recherches actives aussi bien dans le domaine des réseaux que dans celui des transports. Le potentiel des réseaux véhiculaires à fournir des services comme l’information sur le trafic en temps réel ou sur les accidents font de cette technologie un domaine de recherche très important. Ces réseaux peuvent comporter des communications véhicule-à-véhicule (V2V), véhicule-à-infrastructure (V2I), ou une combinaison des deux. La norme IEEE 1609.4 est la spécification multicanal pour l’IEEE802.11p/WAVE des réseaux véhiculaires (VANETs). Elle utilise sept canaux, l'un étant un canal de contrôle (CCH) qui est écouté par les équipements de façon périodique, et les six autres canaux sont utilisés comme canaux de service (SCH). Elle définit également une division du temps en alternance entre les intervalles CCH et les intervalles SCH. L’objet de cette thèse de doctorat est d’évaluer les performances des réseaux VANETs dans le cas des communications véhiculaires sans infrastructure, et au niveau des couches inférieures du standard 802.11p. Dans la première partie, nous proposons une approche MAC d’allocation multicanal opportuniste dans un contexte sans infrastructure. Cette approche est conforme à la norme IEEE1609.4 -2010 de l'architecture WAVE pour un fonctionnement multicanal, et elle est conçue pour des applications de services de données (non urgentes), tout en assurant la transmission des messages de sécurité routière et des paquets de contrôle. Pour maintenir la qualité de service des deux types de messages (urgents et non-urgents) en exploitant la capacité du canal, deux solutions sont proposées. Dans la deuxième partie, lorsque le véhicule sélectionne son canal et contrôle son alternance temporelle entre CCH et SCH, il commence à transmettre ses paquets, en particulier sur le canal CCH, lesquels ont une durée de péremption. Nous présentons une approche visant à minimiser les collisions des émetteurs tout en évitant la contention de début d’intervalle, en particulier dans un contexte de densité élevée de véhicules. Même si les mécanismes proposés ci-dessus diminuent le taux de collision, il n’est pas possible de les supprimer complètement. Dans la troisième partie, nous traitons le problème des collisions entre les paquets diffusés sur le CCH, en particulier quand la charge des messages transmis dépasse la capacité du canal. Pour cela, nous proposons un nouveau mécanisme de codage réseau analogique adapté à la modulation QPSK pour les messages diffusés sur le CCH. Dans cette approche des symboles connus sont envoyés avant d'envoyer les paquets pour estimer les paramètres du canal et une solution explicite est utilisée pour inverser le système de la superposition de deux paquets / Vehicular networks are the subject of active research in the field of networks as well as transport. The potential for vehicular networks to provide services such as traffic information in real time or accident makes this technology a very important research domain. These networks may support vehicle-to-vehicle communications (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), or a combination of both. The IEEE 1609.4 is the specification of multichannel operations for IEEE802 .11p/WAVE vehicular networks (VANETs). It uses seven channels; one being a control channel (CCH) which is listened periodically by the vehicles and the other six channels are used as service channels (SCH). It also defines a time division between alternating CCH and SCH intervals. The purpose of this thesis is to evaluate the performance of VANETs in the case of vehicular communications without infrastructure, and at the lower layers of IEEE 802.11p standard. In the first part, we propose an opportunistic multichannel MAC allocation in an environment without infrastructure. This approach is consistent with the standard IEEE1609.4 -2010/WAVE for a multi-channel operation, and it is designed for data services applications (non-urgent), while ensuring the transmission of road safety messages and control packets. To maintain the quality of service of the two types of messages (urgent and non-urgent) by exploiting the channel capacity, two solutions are proposed. In the second part, when the vehicle selects its channel and controls its temporal alternation between CCH and SCH, it starts transmitting its packets, particularly on the CCH, which have an expiration time. We present an approach to minimize collisions between transmitters while avoiding contention at the beginning of CCH interval, especially in a context of high vehicular density. Although the mechanisms proposed above reduce the collision rate, it is not possible to completely remove these collisions. In the third part, we address the problem of collisions between broadcast packets on the CCH, especially when the load of transmitted messages exceeds the channel capacity. For this purpose, we propose a new analog network coding mechanism adapted to QPSK modulation for broadcast messages on the CCH. In this approach, known symbols are sent before sending the packets to estimate the channel parameters and an explicit solution is used to reverse the system of the superposition of two packets