VLC systems for smart cities: mobility management scheme for vehicular networks

Abstract

In the last years, the use of the Internet has been expanded to any possible area since telephony until home automation thanks to the benefits that the Internet of Things(IoT) provides. It enables the possibility to intercommunicate multiple processes to bring them additional information and optimize their operation. The sum of multiple IoT solutions with the purpose to improve the health, transportation, governance, and environmental services in an urban area converge in the smart cities concept. In a smart city environment, the operation of these sectors can be monitored in real-time to make clever decisions and they operate efficiently. Additionally, IoT brings them the capabilities to offer new services. The sum of all these benef its provokes the great acceptance and massive expansion of IoT in the last years. Moreover, recently the number of Internet users has grown until reach two-thirds of the global population, each one using three devices approximately. As consequence, the demand for a higher number of wireless connections has grown exponentially until reaching 18.4 billion wireless connections in 2018. And, some regions of the radio frequency spectrum are almost saturated especially commercial RF bands such as 2.5 and 5 GHz bands. For this reason, it is necessary to look for alternative communication technologies. One potential option to solve this demand is Visible Light Communications (VLC), an emergent technology that uses LED-based devices to transmit data. This technology differs from traditional RF because their bands are allocated in the Visible Light spectrum (430 THz to 790 THz) bringing a huge bandwidth. The data transmission is possible to modulate the light intensity emitted by LED devices in short periods to be perceived by humans. While the reception utilizes photodiode-based receivers and commercial cameras to sense the light variations. VLC bands are far from RF bands permitting to operate both technologies in the same place without interference, and they can complement each other. The integration of the transportation sector in smart cities environments has rise the interest from the scientific community and industrial parties. Especially, thedevelopment of Intelligent Transport System (ITS) which brings to the vehicles the capability to operate some process autonomously improving the driver’s experience and preventing accidents. This technology needs a high number of sensors to recognize potential hazards in the area. Although, there are a lot of threats that can not be detected by the car’s sensors. Thus, ITS needs the possibility to get information from other vehicles or even local authorities to guarantee the driver’s security. For this reason, these systems must incorporate a communication system. Dedicated Short-Range Communications (DSRC) has been adopted as the main option to support the communication. This is an RF technology developed over years. So, it is a trustworthy and mature solution. However, the vehicle is exposed to a large variety of environments and meteorological conditions that can compromise the transmissions. Due to the fundamental of this information is to keep the driver’s security, the ITS communication must be reliable in any possible situation. Therefore, ITS needs an auxiliary communication system to prevent any outage in DSRC. VLC appears as a viable backup technology option because of the low implementation cost. It converts the tail and headlamps to transmitters without excessive additional charge. Similarly, the street and traffic lights can be adapted to provide communication services to a determinate area without great complications. Furthermore, VLC presents desirable features in vehicular scenarios such as Doppler shift immunity and low fading. In the last decade, several research groups have characterized the communication link in vehicular scenarios for vehicle-to-vehicle (V2V), vehicle-to-infrastructure(V2I), and infrastructure-to-vehicle(I2V) schemes where the channel presents ideal conditions. Additionally, some experimental proof of concepts has validated its good performance in these surroundings. In spite, there are many open issues to resolve before the incorporation of this technology in vehicular safety applications. One pending task to resolve is how the vehicular node will deal with the limited communication range of a VLC Access Point (AP). This is a major threat because a vehicular node using the I2V scheme changes several times of AP connection in a short period. Every new connection takes some seconds to resolve which limits the vehicular node’s connection in case of an emergency. Accordingly, the network requires a set of protocols to transfer the user’s session minimizing itsaccess time to the next cell. The set of mechanisms where two AP exchange the user information to accelerate its ingress is known as handover. Currently, there are not many handover schemes developed for VLC. Due to the low latency requirement in ITS scenarios, handover solutions for home and office are impractical. For this reason, it is necessary to develop an appropriate solution for these environments. This research work studied mobility problems in a VLC network considering vehicular scenarios. The main goal is to develop a handover scheme that can support seamless communication. This work was done using the following methodology, first study the communication channel in these environments, then analyze the channel data to propose a solution and corroborate the solution through a simulation approach. The first step is a study of the communication link in vehicular scenarios through statistical methods such as Monte-Carlo simulation with Ray-tracing. The simulations give the Channel Input Response (CIR) at different moments when the vehicle circulates the tunnel. The sum of CIRs results helps us to understand the system limitations and the main problems that the handover scheme needs to deal with. Additionally, the CIR analysis corroborates the V2I and I2V high performance permitting high-speed communication. Moreover, these results reveal one challenge to confront which is the abrupt disconnection of the V2I link. Considering this information a solution was proposed that is composed of a detection algorithm, handover protocols, and a novel network topology. The handover protocol which f its better to the network necessity is Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6) because it has a reduced resolution time. As well, the handover can be supported by a new network topology defined as "2.5 layer topology" which provides redundancy to the uplink. The solutions were validated through system-level simulations using the OMNET++ platform. This approach evaluates the execution of MAC layer protocols with realistic channel models allowing a truthful representation of the network. The simulator recreates the exact conditions of vehicles moving through the tunnel and receiving vital information. The validation was done in a demanding situation where thevehicular node is receiving a data rate of 450 kbps, exceeding the minimum requirements for safety application. The results demonstrate that the proposed handover solution presents high efficiency providing a low packet loss and a steady connection, where its disconnection time is below 1 %. Finally, the solution operates adequately when there is a large number of users in the network without jeopardizing the communication.

Recientemente el uso de Internet se ha expandido en muchas áreas que van desde la telefonía y llegando a áreas mas rutinarias como la domótica. Esto gracias a los enormes beneficios del Internet (IoT por sus siglas en Inglés) de las Cosas les ha provisto. IoT ha abierto la posibilidad de intercomunicar muchos procesos para que estos sean capas de obtener información que les permita mejorar su desempeño. Cuando múltiples soluciones asistidas por IoT son encaminadas a mejorar sectores como salud (sanidad), transporte, procesos burocráticos o gestión ambiental de manera conjunta estas conforman el concepto de Ciudades Inteligentes. En los entornos de ciudades inteligentes los procesos de dichos sectores pueden ser monitoreados en tiempo real, y en base a esta información ellos pueden operar de manera más eficiente. Además de que IoT les permite acceder a nuevos tipos de servicios que antes no hubiese sido posible. Debido a los grandes beneficios provistos por esta tecnología, han provocado una gran expansión de IoT en muchas áreas en años recientes. Además de este factor, el numero de usuarios de Internet ha continuado incrementando hasta llegar a dos tercios de la población mundial, con una media de 3 dispositivos per usuario. Dado estos dos factores, la demanda de redes inalámbricas a crecido estipulando que existen 18.4 billones de conexiones a Internet en el año 2018. Esto ha hecho que regiones del espectro electromagnético se estén saturando en ambientes urbanos, especialmente las bandas comerciales de 2.5 y 5 GHz. Por esta razón es necesario buscar tecnologías de comunicación alternas que no utilicen dicha región. Las Comunicaciones por Luz Visible (VLC por sus siglas en Inglés) aparecen como una potencial solución a este problema. Estas habilitan lamparas LED para poder ser utilizadas con una doble función iluminar y comunicar. La mayor diferencia de VLC con respecto a otras tecnologías inalámbricas es que transmite información usando las bandas de luz visible del espectro (430 THz a 790 THz) que pueden proveer de un gran ancho de banda. Para poder transmitir los transmisores VLC modulan la intensidad de la luz emitida por un dispositivo LED, dichos cambios de intensidad son tan breves que no pueden ser percibidos por el ojo humano. A su vez,VLC utiliza como receptores dispositivos electrónicos que cuentan con un receptor fotoeléctrico o en su vez cámara integradas en diversos dispositivos como los teléfonos móviles. Una ventaja de esta tecnología es que las bandas VLC y las de cualquier tecnología de radiofrecuencia están muy distantes para poder generar interferencia, y además se pueden utilizar de manera conjunta para mejorar la comunicación. Unsector donde ha surgido el interés de incorporar los beneficios de IoT por la comunidad científica y diversas empresas es el sector de transporte. Entre las potenciales incorporaciones en dicho sector, se encuentra los sistemas de Transporte Inteligente (ITS por sus siglas en Inglés). Los cuales proveen a los vehículos de poder operar algunas de sus funciones de manera autónoma para poder mejorar su desempeño, y prever accidentes viales. Para poder realizar estas funciones el vehículo debe contar con una gran variedad de sensores que le permitan reconocer peligros en el entorno. A pesar de que se cuenta con un numero basto de sensores, existen amenazas que no pueden ser vistas por ellos. Debido a esto es necesario que ITS puedan obtener dicha información mediante otros medios, como puede ser que vehículos en el área le informen de ellos, o incluso este gubernamentales como el Departamento de Tráf ico. Esto crea la necesidad que ITS cuenten con un sistema de comunicación. Las Comunicaciones Dedicadas de Corto Alcance (DSRC por sus siglas en Inglés) emergen como una opción solida y altamente comprobada que provee los servicios de comunicación. A pesar de esto, el vehículo es expuesto a diversos biomas, y efectos meteorológicos que pueden perjudicar el desempeño de dichos sistemas poniendo en riesgo la comunicación. Dicha información es necesario para poder garantizar la seguridad del piloto, por lo que la comunicación de ITS necesita ser robusta ante cualquier situación. Bajo este contexto, VLC emerge como una posible solución para tener una tecnología de respaldo debido a bajo costo de implementación reutilizando hardware existente en el vehículo. Esta tecnología adapta las lámparas delanteras y traseras como transmisores sin conste adicionales. De la misma manera, el alumbrado publico puede ser utilizado por la tecnología cumpliendo una función similar. Aparte de los bajos costos de implementación, esta tecnología presenta una serie de ventajas paraentornos vehiculares como puede ser que la comunicación es inmune a efectos Doppler y presenta bajo desvanecimiento. Durante la pasada década, diversos investigadores han trabajado en estudiar el desempeño de los sistemas VLC tomando en cuenta entornos vehiculares. Dentro de los trabajos de interés se encuentra el caracterizar el canal para los diversos enlaces de comunicación que puede ocurrir en este escenario. Que son los siguientes esquemas de comunicación: Vehículo a vehículo (V2V por sus siglas en Inglés), vehículo a infraestructura (V2I por sus siglas en Inglés) y I2V (por sus siglas en Inglés). En complemento se han realizado validaciones experimentales como pruebas de concepto para validar las diversas características de los enlaces estudiadas previamente. A pesar de la gran cantidad de esfuerzos que diversos equipos de trabajo han invertido en desarrollar la tecnología, aun hay una gran cantidad de problemáticas relacionadas sin ser estudiadas. Un problema que no ha sido estudiado a profundidad es como solventar en limitado rango de comunicación de los Punto de Acceso (AP por sus siglas en Inglés) de dicha tecnología. Este es un problema fundamental por combatir debidos a que el nodo vehicular se mueve contantemente cambiando de AP varias veces en un lapso pequeño. Debido a que cada nueva conexión tiene un tiempo de latencia antes de poder recibir y transmitir información esto reduce el tiempo total de comunicación de ITS dejándolo expuesto a no recibir un mensaje de emergencia. Por lo tanto, es necesario el proveer a la red una serie de protocolos conocidos como handover que puedan transferir la sesión del usuario entre puntos de acceso y así disminuir la latencia para restaurar la comunicación. En la actualidad no se tiene alguna solución concisa para los problemas de movilidad en una red VLC por lo que es un problema abierto. Además, las redes diseñadas para ITS tienen requerimientos adicionales como es una baja, por lo que no se puede utilizar estrategias de handover diseñada para redes en casa y oficinas. Este trabajo de tesis doctoral busca poder diseñar una solución para los problemas de movilidad señalados. Para poder cumplir con la meta propuesta se trabajo con la siguiente metodología. Primero se realizaron estudios del canal VLC tomando en cuenta las características del entorno de interés. Una vez concluidos, se analizo la información de la respuesta al impulso de Canal, la información fue utilizada para planear una estrategia adecuada. Finalmente, la solución propuesta fue validada mediante simulaciones. El estudio de canal se realizó usando métodos estadísticos como son las simulaciones Monte-Carlo con trazado de rayos. Para poder realizar dicho estudio se acoto el escenario de estudio a un túnel vehicular. La información del canal en diversos puntos del túnel los conocimientos necesarios para entender la problemática y corroboro la factibilidad de desarrollar dicho sistema de comunicación. Además, estos estudios nos enseñaron un problema a tratar, el cual es una abrupta desconexión en el canal de subida. Finalmente, toda esta información fue tomada en cuenta durante la planeación de la estrategia de handover. Eneste trabajo se propone una solución conjunta formada por un algoritmo de detección, un protocolo de handover y una nueva topología de red. Dentro de la revisión literaria, el protocolo que mejor se adapta a nuestras necesidades fue “ Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6)” el cual tiene poca latencia. Otra adición fue el elaborar una topología de red nombrada “topología de capa 2.5”, la cual añade redundancia en el enlace de subida y ayuda que los puntos de acceso tengan una mayor cobertura. Las propuestas fueron validadas con simulaciones de sistema elaboradas con la plataforma OMNET++. Este método permite el validad los diversos protocolos de capa MAC considerando modelos realistas de canal, lo que da una representación f idedigna de la red. Adicionalmente, las simulaciones recrean las condiciones del entorno considerando la estructura del túnel y su impacto en la comunicación. Los resultados reflejan que el nodo vehicular con la propuesta es capas de mantener una comunicación estable y una taza baja de tramas perdidas, donde este nodo solamente pierde conexión el 1 % del tiempo total de comunicación. Finalmente, la solución no presenta fallos, ni merma su desempeño de manera alarmante cuando un numero grande de nodos vehiculares comparten la red.