Date of Award

6-2013

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Electrical Engineering (MSEE)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Hend AI-Qamzi

Abstract

Safety applications in Hybrid Vehicular Sensor Networks (HVSN) require robust transmission of messages in order to deliver safety to roads and drivers as intended. Since moving vehicles are equipped with wireless sensors that utilize and share the unreliable wireless channel for communication, the transmission of safety messages must be coordinated to minimize or completely eliminate collision of exchanged packets. The first step on the way of achieving that is through the Media Access Control (MAC) layer which is responsible for managing the access to the shared media safely and without collisions.

This thesis aims at designing and implementing a HVSN MAC protocol to help exchange safety and control messages between the network elements, i.e. vehicles' on board sensors and road side sensor units. The Time Division Multiple Access (TDMA) is one of the media access techniques used for eliminating collisions. However, it imposes few challenges in implementation, namely, rescheduling and time synchronization among communicating nodes.

In this proposed protocol, we provide a complete solution for such problems. Instead of dividing the time frame between just the available nodes, the protocol provides fixed schedules or time frames with enough time slots that are able to accommodate the maximum number of vehicles that may fit in one segment at a time. Such arrangement eliminates the need for re-scheduling and unnecessary processing. The synchronization problem is solved as well, with coordination from the network controller which is the road side unit.

Since we are dealing with HVSN, the protocol has not only considered the network or the communication part, but also included the vehicles' behavior in the design process, through realistic mobility modeling. The mobility model and the protocol operations are employed on a small real map where vehicles interact and communicate. Moreover, a new Packet Delivery Ratio calculation method that considers the vehicles' mobility in the analysis is applied to practically evaluate the protocol performance.

The devised MAC protocol is characterized by several features; first, it is a collision free MAC protocol that does not require the re-configuration of time slots division as well as it accounts for the time synchronization problem. Second, the protocol is one of the initial works that employs the IEEE 802.11 p in HVSN and utilizes its features and specifications. Third, the design is comprehensive and it is built and based on a realistic mobility model that helped in assessing the protocol performance through a unique TDMA mobility based-PDR calculation method

Arabic Abstract

تطبيقات السلامة في أنظمة السيارات الذكية تتطلب انتقالاً دقيقاً للرسائل من أجل توفير السلامة في الطرق وللسائقين على النحو المنشود. عند تجهيز المركبات بأجهزة الاستشعار اللاسلكية التي تستخدم وتقاسم قناة لاسلكية يمكن الاعتماد عليها للاتصال، لابد أن يتم تنسيق نقل رسائل السلامة للحد من تصادم الرسائل أو القضاء على هذه الظاهرة تماماً. الخطوة الأولى لتحقيق ذلك هو من خلال التحكم بطبقة الوصول إلى مجال الاتصال (MAC layer) المسؤولة عن تنظيم استخدام هذا المجال بسلام ودون اصطدام بين الرسائل المرسلة.

تهدف هذه الأطروحة إلى تصميم وتنفيذ بروتوكول للمساعدة على إيصال رسائل السلامة للتحكم والتنسيق بين عناصر الشبكة بنجاح، أي الآليات وأجهزة الاستشعار على متن المركبات ووحدات استشعار على جانب الطريق. تقنية تقسيم الوقت لتنظيم الاتصالات (TDMA) هي واحدة من التقنيات المستخدمة للقضاء على الاصطدامات بين الرسائل إلا أنها تعاني من بعض السلبيات كضرورة إعادة الجدولة كلما تغيرت الشبكة بزيادة عدد مستخدميها أو نقصانهم وتزامن الوقت بين نقاط الاتصال.

هذا البروتوكول المقترح يقدم حلاً كاملاً لمثل هذه المشاكل. فبدلاً من تقسيم الإطار الزمني بين مجرد نقاط الاتصال المتاحة، سنقوم باستخدام جداول ثابتة أو أطر زمنية محددة تكفي لاستيعاب أكبر عدد ممكن من المركبات التي قد تتسع لها مساحة محددة من الطريق. هذا الترتيب يلغي الحاجة لإعادة الجدولة ويقلل من المعالجة غير الضرورية للبيانات في الآليات المتحكمة في الشبكات. يتم حل مشكلة التزامن أيضاً، بالتنسيق مع وحدة تحكم الشبكات المتواجدة في جوانب الطرق.

يشتمل هذا البروتوكول في عملية التصميم كذلك على تمثيل سلوك المركبات، من خلال النمذجة الواقعية للتنقل، حيث تم تمثيل خريطة حقيقية لمنطقة في مدينة العين بتفاصيلها، شاملة تفاعل المركبات وتواصلها. علاوة على ذلك، ولتقييم أداء البروتوكول عملياً تم ابتكار طريقة حساب جديدة لنسبة إيصال الرسائل بنجاح مستوحاة من الحركة المستمرة للمركبات وطريقة تنقلها.

يتميز البروتوكول المبتكر بالعديد من الميزات؛ أهمها أنه بروتوكول خالٍ من التصادمات بين رسائل السلامة المرسلة بين المركبات المتواجدة في منطقة واحدة، وهو كذلك لا يتطلب إعادة تقسيم الوقت المتوفر كلما تغيرت عناصر الشبكة، عدا أنه قدم حلاً لمشكلة تزامن الوقت بين النقاط المتواصلة. ثانياً، البروتوكول هو واحد من الأعمال الأولية التي توصف بمعيار IEEE   802.11p  في هذا النوع من الأنظمة الذكية ويستخدم معالمه والمواصفات المقدمة من قبله. أخيراً وليس آخراً، هو تصميم شامل يستند إلى تمثيل عملية التنقل للمركبات بطريقة واقعية ساعدت في تقييم أداء البروتوكول وذلك عن طريق حساب الرسائل الموصلة بنجاح بتوجه فريد من نوعه.

Download

Included in

Engineering Commons

COinS