Μοντελοποίηση και ανάπτυξη ετερογενών κινητών δικτύων οχήματος-προς-όχημα (Vehicle-to-Vehicle) και οχήματος-προς-υποδομή (Vehicle-to-Infrastructure) με έμφαση σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης

Abstract

This dissertation aims at modeling and development of heterogeneous wireless networks for Vehicle-to-Vehicle (V2V) and Vehicle-to-Infrastructure (V2I) applications with emphasis on harsh transmission environments. Specifically, the dissertation addresses the problem of the lack of reliability of the simulations due to their differentiation compared to the experimental measurements and in particular in the case of wireless transmission within the tunnel for surveillance applications within mobile nodes (vehicles) using different networks. For this purpose, channel models have been studied in great detail to find the most appropriate one. The primary objective of the dissertation as mentioned above is the selection / development of a representative model channel for wireless mobile networks. More specifically, based on experimental measurements, a wireless channel model which operates at 5.4 - 5.9 GHz frequency band was selected for railways and motorways tunnel applications. The second main objective of the present thesis was to design a handover algorithm in order to optimize the performance in conditions where vehicles - trains are traveling on opposite tracks within a tunnel during the WiMAX FBSS (Fast Base Station Switching process) and compare with the Vertical handover algorithm (VHO). The next objective was to design an algorithm that aims to optimize the QoS of the wireless channel, therefore an heterogeneous IEEE 802.11p - LTE (HetNet) wireless network was deployed under SISO and MIMO conditions within a suburban environment. The algorithm includes dynamic grouping of vehicles in clusters as well as Cluster Header (CH) selection and the corresponding gateway for the IEEE 802.11p - LTE Het-Net. For this purpose, the proposed Cluster Selection Algorithm is simulated using the Veins library of the OMNeT ++ simulator and the SUMO (Simulation of Urban Mobility) simulator. A separate contribution of the dissertation was the development of the innovative Virtual Drive test method by simulating a vehicular LTE model for a predefined route using a LTE base station simulator, a Channel simulator, a RayTracing tool, and an UE node. Finally, the research expanded into the design and simulation of the proposed Break-Point-PathLoss model in a tunnel-channel environment and then applied to a WiMAX-WLAN networks. Using the proposed Break-Point-PathLoss channel model, the user can now accurately simulate each wireless network in the OMNeT ++ simulator and produce reliable results for wireless network applications in a tunnel as long as we know the geometric dimensions.

Η παρούσα διατριβή έχει ως θέμα τη μοντελοποίηση και ανάπτυξη ετερογενών κινητών δικτύων οχήματος-προς-όχημα (Vehicle to-Vehicle) και οχήματος-προς-υποδομή (Vehicle-to-Infrastructure) με έμφαση σε δύσκολα περιβάλλοντα μετάδοσης. Ειδικότερα η διατριβή προσέγγισε το πρόβλημα της έλλειψης αξιοπιστίας των εξομοιώσεων λόγω της διαφοροποίησης τους σε σύγκριση με πειραματικές μετρήσεις και ειδικότερα κατά την περίπτωση ασύρματης μετάδοσης εντός σήραγγας για εφαρμογές επιτήρησης εντός κινούμενων κόμβων (τρένο-οχήματα) με χρήση ετερογενών δικτύων. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν με μεγάλη λεπτομέρεια μοντέλα καναλιού για την εξεύρεση του πλέον κατάλληλου. Ο πρώτος κατά σειρά στόχος της διατριβής όπως προαναφέρθηκε είναι η επιλογή/ανάπτυξη ενός αντιπροσωπευτικού μοντέλου καναλιού, για ασύρματα κινούμενα δίκτυα. Πιο συγκεκριμμένα, προτάθηκε με βάση πειραματικές μετρήσεις και επιλέχθηκε μοντέλο ασύρματου καναλιού για την περιοχή συχνοτήτων 5.4-5.9 GHz σε περιβάλλοντα σήραγγας αμαξοστοιχίας και αυτοκινητοδρόμου. Ο δεύτερος βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η αναπτύξη ενός αλγόριθμου μεταπομπής για τη βελτιστοποίηση των επιδόσεων σε συνθήκες μετάδοσης-λήψης οχημάτων – συρμών τρένων τα οποία κινούνται σε αντιπαράλληλες τροχίες εντός σήραγγας, κατά τη διαδικασία του WiMAX FBSS (Fast Base Station Switching) Handover και η σύγκρισή του με τον αντίστοχο Vertical Handover (VHO). O επόμενος στόχος ήταν ο σχεδιασμός ενός αλγόριθμου που στοχεύει στην βελτιστοποίηση του QoS του ασύρματου καναλιού κατά την περίπτωση ενός ασύρματου κινούμενου ετερογενούς (HetNet) IEEE 802.11p - LTE δικτύου οχημάτων με χρήση των τεχνικών SISO (single-input & single-output)και MIMO (multiple-input & multiple-output) εντός προαστιακού περιβάλλοντος. Ο αλγόριθμος περιλαμβάνει τη δυναμική ομαδοποίηση των οχημάτων σε clusters καθώς και την επιλογή Cluster Header (CH) και του αντίστοιχου Gateway για το Het-Net IEEE 802.11p – LTE. Για την πληρέστερη τεκμηρίωση των αποτελεσμάτων συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα με αντίστοιχους Handover αλγόριθμους βασισμένους στην τεχνική του Clustering και αντιστοίχως για διαφορετική πυκνότητα και ταχύτητα οχημάτων. Για το σκοπό αυτό ο προτεινόμενος Handover αλγόριθμος εξομοιώθηκε μέσω της βιβλιοθήκης Veins του εξομοιωτή OMNeT++, με τη χρήση του SUMO – (Simulation of Urban Mοbility) εξομοιωτή. Μια ξεχωριστή συνεισφορά της διατριβής αποτέλεσε η ανάπτυξη της καινοτόμου μεθόδου του Virtual Drive testing μέσω της προσομοίωσης ενός αυτοκινούμενου LTE προτύπου για μια προεπιλεγμένη διαδρομή, με τη χρήση ενός LTE base station emulator, ενός Channel emulator, ενός RayTracing tool και μιας φορητής συσκευής σε ρόλο LTE κινούμενου κόμβου. Απώτερος στόχος του Virtual Drive testing είναι η χαρτογράφηση του LTE δικτύου ενός κινούμενου οχήματος σε μια προεπιλεγμένη περιοχή ενδιαφέροντος και η ρεαλιστική απεικόνιση των συνθηκών μετάδοσης με τη χρήση ενός Ray Tracing μοντέλου καναλιού σε προαστικό περιβάλλον. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε στο σχεδιασμό και την εξομοίωση του προτεινόμενου Break-Point-PathLoss μοντέλου καναλιού σε περιβάλλον σήραγγας και εν συνεχεία εφαρμόστηκε σε ετερογενή WiMAX-WLAN δίκτυα. Με τη χρήση του προτεινόμενου Break-Point-PathLoss μοντέλου καναλιού ο χρήστης δύναται πλέον να εξομοιώσει με ακρίβεια οποιοδήποτε ασύρματο δίκτυο στον εξομοιωτή OMNeT++ και να παράξει αξιόπιστα αποτελέσματα για εφαρμογές ασύρματων δικτύων σε σήραγγα αρκεί να γνωρίζει τις γεωμετρικές διαστάσεις της.