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

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 thetemperature, open the windows automatically, charge a smartphone, benefit fromacoustic insulation from the noisy outside with a silent electric motor. All this makesthe 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 seatbelts, airbags, etc, and more recently, cars are being equipped with active safetysystems such as Advanced Driver-Assistance Systems (ADAS), these systems remainbasic in the sense that they are not connected. The automotive field is currentlyundergoing a massive transformation, with the car becoming a connected device andefforts are being made to develop automated driving vehicles with sophisticated activesafety systems. In this context, Vehicular Ad hoc Networks (VANETs) will play anessential role in the future of the automotive industry, allowing new usages and newservices to be offered, the main focus being on their support of safety applications.Nowadays, the number of road accidents is continuing to increase, and humanlosses are becoming more and more considerable. In a connected vehicle, receiving amessage within a few milliseconds can be enough to save a life, if the driver receives aDecentralized Environmental Notification Message (DENM) in time. Thus, latency isa very important metric to be taken into account in the design of the new generationof VANETs. Also, for critical applications, the system must be ultra-reliable sinceany failure may have fatal consequences. For example, augmented perception forautonomous vehicles will be revolutionized by the upcoming technologies for Vehicle-to-Everything (V2X): 5G (The fifth generation) NR (New Radio) & 802.11bd. Infact, the database for autonomous driving, which initially contains information obtainedfrom sensors (radar, camera, etc.), will be completed with information comingfrom 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 eventoccurs.As our highways become increasingly congested, for a better traveling experience,Intelligent Transportation Systems (ITSs) organizations plan to optimize road utilizationand traffic management. To address current mobility issues, conventional vehiclesystems for traffic flow like Adaptive Cruise Control (ACC) are not sufficient. ThisACC system adjusts the vehicle's speed automatically based on information from vehicles in front. A more dynamic regulation strategy requires a cooperative systemthat will provide more information on the positions, speeds and accelerations ofneighboring vehicles. Thanks to this cooperative system, new vehicular applicationscan be established (an example of such a system being Cooperative Adaptive CruiseControl (CACC)). Platooning is one of the best-known applications that can enhanceroad 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 isreduced: researchers have shown that up to 20% of energy can be saved. From anetwork point of view, reducing the distance between vehicles will make it possible toestablish new point-to-point communication links between the vehicles in front andbehind, thus providing an opportunity to have a hybrid communication.The subject of this thesis is vehicular wireless networks and, more precisely, the useof radio transmission and communication by light to improve vehicle safety. The thesisis motivated by the unreliability and scalability issues of the IEEE 802.11p standard.The idea is to move towards new techniques, particularly within future 803.11bdstandards, 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 ofthis first part is to propose a Medium Access Control (MAC) layer that is based onthe Time Division Multiple Access (TDMA) technique, enhanced with a mechanismthat allows nodes to benefit from reliable, low latency access on demand. This partalso introduces a special access scheme for high-priority emergency packets, while stillensuring 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 solutionfor disseminating Emergency Messages in a multi-hop manner (exploiting the relationbetween 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 safetyand allows a smaller gap between vehicles), vehicle grouping as well as maneuveringof separation. While the importance of wireless communications to the platoon is wellrecognized, certain aspects of communications have not been thoroughly investigatedin previous projects. One such aspect is the coexistence of VLC with radio vehicularcommunication 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 inPart 1, and visible light communication for autonomous driving, based on the stateof the radio channel and platoon alignment.Depuis le début de l'industrie automobile, la voiture a longtemps été considéréecomme un simple moyen de transport. Désormais, à l'intérieur d'un véhicule, onpeut écouter de la musique, réguler la température, ouvrir les vitres automatique-ment, recharger un smartphone, bénéficier d'une isolation acoustique de l'extérieurbruyant avec un moteur électrique silencieux.Tout cela rend le voyage plus agréable, mais les applications de sécurité ne sonttoujours pas au centre des préoccupations. Bien que les véhicules disposent déjà d'uncertain nombre de systèmes de sécurité passive tels que ceintures de sécurité, coussinsgonflables, etc., et plus récemment, les voitures sont équipées de systèmes de sécuritéactive tels que les systèmes avancés d'assistance à la conduite ADAS (Advanced DriverAssistance System), ces systèmes restent fondamentaux dans le sens qu'ils ne sontpas connectés. Le domaine de l'automobile subit actuellement une transformationmassive; la voiture devenant un appareil connecté et des efforts sont déployés pourdévelopper des véhicules à conduite automatisée dotés de systèmes de sécurité activesophistiqués. Dans ce contexte, les réseaux véhiculaires appelés VANETs (VehicularAd 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 étantmis 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 perteshumaines sont de plus en plus importantes. Dans un véhicule connecté, recevoirun message en quelques millisecondes peut suffire à sauver une vie si le conducteurreçoit à temps un message DENM (Decentralized Environmental Notification Message). Ainsi, la latence est une métrique très importante à prendre en compte dansla conception de la nouvelle génération de VANET.Aussi, pour les applications critiques, le système doit être ultra-fiable car toutepanne peut avoir des conséquences fatales. Par exemple, la perception augmentéepour les véhicules autonomes sera révolutionnée par les technologies à venir pourVéhicule-à-Tout (V2X, Vehicle-to-Everything): 5G NR & 802.11bd. En effet, la basede données pour la conduite autonome, qui contient initialement des informationsobtenues a partir de capteurs (radar, caméra, etc.), sera complétée par des infor-mations provenant des messages CAMs (Cooperative Awareness Messages) et desmessages de perception collective CPMs (Collective Perception Messages). Ainsi, lesystème de supervision du véhicule pourra réagir plus efficacement à toute situationsur la route, et manœuvrer rapidement en cas d'évènement inattendu.Alors que nos autoroutes deviennent de plus en plus encombrées, pour une meilleureexpérience de voyage, les organisations des ITSs (Intelligent Transportation Systems)prévoient d'optimiser l'utilisation des routes et la gestion du traffic. Pour faire face auxproblèmes de mobilité actuels, les systèmes de véhicules conventionnels pour la circulation comme le régulateur de vitesse adaptatif ACC (Adaptive Cruise Control) nesont pas suffisants. Ce dernier système ajuste automatiquement la vitesse du véhiculeen fonction des informations des véhicules qui précèdent. Une stratégie de régulationplus dynamique nécessite un système coopératif qui fournira plus d'informations surles positions, les vitesses et les accélérations des véhicules voisins. Grâce à ce systèmecoopératif, de nouvelles applications véhiculaires peuvent être établies (un exempled'un tel système étant le régulateur de vitesse adaptatif coopératif CACC (Cooperative Adaptive Cruise Control)). Le peloton est l'une des applications les plus connuesqui peuvent améliorer la capacité routière. En effet, en optimisant la distance entre les véhicules, la capacité des infrastructures routières peut augmenter de plus de30%. En utilisant le même concept, la traînée de l'air est réduite tel que démontrépar 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 permettrad'établir de nouvelles liaisons de communication point à point, entre les véhicules àl'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 pouraméliorer la sécurité des véhicules. La thèse est motivée par les problèmes de fiabilitéet d'évolutivité de la norme IEEE 802.11p. L'idée est d'évoluer vers de nouvellestechniques, notamment dans les futures normes 803.11bd, et d'associer la transmissionradio 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 àfaible latence dans les réseaux véhiculaires dans le cadre des futures normes. L'objectifde cette première partie est de proposer une couche MAC (Medium Access Control) basée sur la technique TDMA (Time Division Multiple Access), enrichie d'unmécanisme permettant aux nœuds de bénéficier d'un accès fiable et à faible latenceà la demande. Cette partie introduit également un schéma d'accès spécial pour lespaquets d'urgence de haute priorité, tout en garantissant un accès fiable et à faible latence. Nous complétons cette étude par une analyse mathématique des performancesde ce schéma, pour montrer ses hautes performances. De plus, nous proposons unestratégie originale de transmission de messages basée sur une solution Cross-Layerpour diffuser les messages d'urgence de manière multi-hop (exploitant la relation entreles couches MAC et réseau).La deuxième partie de la thèse traite de VLC pour coordonner les manœuvres dansles réseaux de véhicules. Les avantages des communications sans fil pour le contrôledes pelotons sont, entre autres, une meilleure stabilité de la chaîne (qui améliore parconséquent 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'importancedes communications sans fil pour le peloton soit bien reconnue, certains aspects descommunications n'ont pas été étudiés en profondeur dans les projets précédents. Unde 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'idéeest de développer un algorithme qui sélectionne la communication radio proposéedans 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