VISIONS Vehicular communication Improvement : solution based on IMS Operational Nodes and Services

Digital services and communications in vehicular scenarios provide the essential assets to improve road transport in several ways like reducing accidents, improving traffic efficiency and optimizing the transport of goods and people. Vehicular communications typically rely on VANET (Vehicular Ad hoc Networks). In these networks vehicles communicate with each other without the need of infrastructure. VANET are mainly oriented to disseminate information to the vehicles in certain geographic area for time critical services like safety warnings but present very challenging requirements that have not been successfully fulfilled nowadays. Some of these challenges are; channel saturation due to simultaneous radio access of many vehicles, routing protocols in topologies that vary rapidly, minimum quality of service assurance and security mechanisms to efficiently detect and neutralize malicious attacks. Vehicular services can be classified in four important groups: Safety, Efficiency, Sustainability and Infotainment. The benefits of these services for the transport sector are clear but many technological and business challenges need to be faced before a real mass market deployment. Service delivery platforms are not prepared for fulfilling the needs of this complex environment with restrictive requirements due to the criticism of some services To overcome this situation, we propose a solution called VISIONS “Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS Operational Nodes and Services”. VISIONS leverages on IMS subsystem and NGN enablers, and follows the CALM reference Architecture standardized by ISO. It also avoids the use of Road Side Units (RSUs), reducing complexity and high costs in terms of deployment and maintenance. We demonstrate the benefits in the following areas: 1. VANET networks efficiency. VISIONS provide a mechanism for the vehicles to access valuable information from IMS and its capabilities through a cellular channel. This efficiency improvement will occur in two relevant areas: a. Routing mechanisms. These protocols are responsible of carrying information from a vehicle to another (or a group of vehicles) using multihop mechanisms. We do not propose a new algorithm but the use of VANET topology information provided through our solution to enrich the performance of these protocols. b. Security. Many aspects of security (privacy, key, authentication, access control, revocation mechanisms, etc) are not resolved in vehicular communications. Our solution efficiently disseminates revocation information to neutralize malicious nodes in the VANET. 2. Service delivery platform. It is based on extended enablers, reference architectures, standard protocols and open APIs. By following this approach, we reduce costs and resources for service development, deployment and maintenance. To quantify these benefits in VANET networks, we provide an analytical model of the system and simulate our solution in realistic scenarios. The simulations results demonstrate how VISIONS improves the performance of relevant routing protocols and is more efficient neutralizing security attacks than the widely proposed solutions based on RSUs. Finally, we design an innovative Social Network service based in our platform, explaining how VISIONS facilitate the deployment and usage of complex capabilities. RESUMEN Los servicios digitales y comunicaciones en entornos vehiculares proporcionan herramientas esenciales para mejorar el transporte por carretera; reduciendo el número de accidentes, mejorando la eficiencia del tráfico y optimizando el transporte de mercancías y personas. Las comunicaciones vehiculares generalmente están basadas en redes VANET (Vehicular Ad hoc Networks). En dichas redes, los vehículos se comunican entre sí sin necesidad de infraestructura. Las redes VANET están principalmente orientadas a difundir información (por ejemplo advertencias de seguridad) a los vehículos en determinadas zonas geográficas, pero presentan unos requisitos muy exigentes que no se han resuelto con éxito hasta la fecha. Algunos de estos retos son; saturación del canal de acceso de radio debido al acceso simultáneo de múltiples vehículos, la eficiencia de protocolos de encaminamiento en topologías que varían rápidamente, la calidad de servicio (QoS) y los mecanismos de seguridad para detectar y neutralizar los ataques maliciosos de manera eficiente. Los servicios vehiculares pueden clasificarse en cuatro grupos: Seguridad, Eficiencia del tráfico, Sostenibilidad, e Infotainment (información y entretenimiento). Los beneficios de estos servicios para el sector son claros, pero es necesario resolver muchos desafíos tecnológicos y de negocio antes de una implementación real. Las actuales plataformas de despliegue de servicios no están preparadas para satisfacer las necesidades de este complejo entorno con requisitos muy restrictivos debido a la criticidad de algunas aplicaciones. Con el objetivo de mejorar esta situación, proponemos una solución llamada VISIONS “Vehicular communication Improvement: Solution based on IMS Operational Nodes and Services”. VISIONS se basa en el subsistema IMS, las capacidades NGN y es compatible con la arquitectura de referencia CALM estandarizado por ISO para sistemas de transporte. También evita el uso de elementos en las carreteras, conocidos como Road Side Units (RSU), reduciendo la complejidad y los altos costes de despliegue y mantenimiento. A lo largo de la tesis, demostramos los beneficios en las siguientes áreas: 1. Eficiencia en redes VANET. VISIONS proporciona un mecanismo para que los vehículos accedan a información valiosa proporcionada por IMS y sus capacidades a través de un canal de celular. Dicho mecanismo contribuye a la mejora de dos áreas importantes: a. Mecanismos de encaminamiento. Estos protocolos son responsables de llevar información de un vehículo a otro (o a un grupo de vehículos) utilizando múltiples saltos. No proponemos un nuevo algoritmo de encaminamiento, sino el uso de información topológica de la red VANET a través de nuestra solución para enriquecer el funcionamiento de los protocolos más relevantes. b. Seguridad. Muchos aspectos de la seguridad (privacidad, gestión de claves, autenticación, control de acceso, mecanismos de revocación, etc) no están resueltos en las comunicaciones vehiculares. Nuestra solución difunde de manera eficiente la información de revocación para neutralizar los nodos maliciosos en la red. 2. Plataforma de despliegue de servicios. Está basada en capacidades NGN, arquitecturas de referencia, protocolos estándar y APIs abiertos. Siguiendo este enfoque, reducimos costes y optimizamos procesos para el desarrollo, despliegue y mantenimiento de servicios vehiculares. Para cuantificar estos beneficios en las redes VANET, ofrecemos un modelo de analítico del sistema y simulamos nuestra solución en escenarios realistas. Los resultados de las simulaciones muestran cómo VISIONS mejora el rendimiento de los protocolos de encaminamiento relevantes y neutraliza los ataques a la seguridad de forma más eficientes que las soluciones basadas en RSU. Por último, diseñamos un innovador servicio de red social basado en nuestra plataforma, explicando cómo VISIONS facilita el despliegue y el uso de las capacidades NGN.

Contribution to the improvement of communication services in nanosatellite constellations using delay and disruption tolerant networking based architectures

Esta tesis se desarrolla dentro del marco de las comunicaciones satelitales en el innovador campo de los pequeños satélites también llamados nanosatélites o cubesats, llamados así por su forma cubica. Estos nanosatélites se caracterizan por su bajo costo debido a que usan componentes comerciales llamados COTS (commercial off-the-shelf) y su pequeño tamaño como los Cubesats 1U (10cm*10 cm*10 cm) con masa aproximada a 1 kg. Este trabajo de tesis tiene como base una iniciativa propuesta por el autor de la tesis para poner en órbita el primer satélite peruano en mi país llamado chasqui I, actualmente puesto en órbita desde la Estación Espacial Internacional. La experiencia de este trabajo de investigación me llevo a proponer una constelación de pequeños satélites llamada Waposat para dar servicio de monitoreo de sensores de calidad de agua a nivel global, escenario que es usado en esta tesis. Es ente entorno y dadas las características limitadas de los pequeños satélites, tanto en potencia como en velocidad de datos, es que propongo investigar una nueva arquitectura de comunicaciones que permita resolver en forma óptima la problemática planteada por los nanosatélites en órbita LEO debido a su carácter disruptivo en sus comunicaciones poniendo énfasis en las capas de enlace y aplicación. Esta tesis presenta y evalúa una nueva arquitectura de comunicaciones para proveer servicio a una red de sensores terrestres usando una solución basada en DTN (Delay/Disruption Tolerant Networking) para comunicaciones espaciales. Adicionalmente, propongo un nuevo protocolo de acceso múltiple que usa una extensión del protocolo ALOHA no ranurado, el cual toma en cuenta la prioridad del trafico del Gateway (ALOHAGP) con un mecanismo de contienda adaptativo. Utiliza la realimentación del satélite para implementar el control de la congestión y adapta dinámicamente el rendimiento efectivo del canal de una manera óptima. Asumimos un modelo de población de sensores finito y una condición de tráfico saturado en el que cada sensor tiene siempre tramas que transmitir. El desempeño de la red se evaluó en términos de rendimiento efectivo, retardo y la equidad del sistema. Además, se ha definido una capa de convergencia DTN (ALOHAGP-CL) como un subconjunto del estándar TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergency Layer). Esta tesis muestra que ALOHAGP/CL soporta adecuadamente el escenario DTN propuesto, sobre todo cuando se utiliza la fragmentación reactiva. Finalmente, esta tesis investiga una transferencia óptima de mensajes DTN (Bundles) utilizando estrategias de fragmentación proactivas para dar servicio a una red de sensores terrestres utilizando un enlace de comunicaciones satelitales que utiliza el mecanismo de acceso múltiple con prioridad en el tráfico de enlace descendente (ALOHAGP). El rendimiento efectivo ha sido optimizado mediante la adaptación de los parámetros del protocolo como una función del número actual de los sensores activos recibidos desde el satélite. También, actualmente no existe un método para advertir o negociar el tamaño máximo de un “bundle” que puede ser aceptado por un agente DTN “bundle” en las comunicaciones por satélite tanto para el almacenamiento y la entrega, por lo que los “bundles” que son demasiado grandes son eliminados o demasiado pequeños son ineficientes. He caracterizado este tipo de escenario obteniendo una distribución de probabilidad de la llegada de tramas al nanosatélite así como una distribución de probabilidad del tiempo de visibilidad del nanosatélite, los cuales proveen una fragmentación proactiva óptima de los DTN “bundles”. He encontrado que el rendimiento efectivo (goodput) de la fragmentación proactiva alcanza un valor ligeramente inferior al de la fragmentación reactiva. Esta contribución permite utilizar la fragmentación activa de forma óptima con todas sus ventajas tales como permitir implantar el modelo de seguridad de DTN y la simplicidad al implementarlo en equipos con muchas limitaciones de CPU y memoria. La implementación de estas contribuciones se han contemplado inicialmente como parte de la carga útil del nanosatélite QBito, que forma parte de la constelación de 50 nanosatélites que se está llevando a cabo dentro del proyecto QB50. ABSTRACT This thesis is developed within the framework of satellite communications in the innovative field of small satellites also known as nanosatellites (<10 kg) or CubeSats, so called from their cubic form. These nanosatellites are characterized by their low cost because they use commercial components called COTS (commercial off-the-shelf), and their small size and mass, such as 1U Cubesats (10cm * 10cm * 10cm) with approximately 1 kg mass. This thesis is based on a proposal made by the author of the thesis to put into orbit the first Peruvian satellite in his country called Chasqui I, which was successfully launched into orbit from the International Space Station in 2014. The experience of this research work led me to propose a constellation of small satellites named Waposat to provide water quality monitoring sensors worldwide, scenario that is used in this thesis. In this scenario and given the limited features of nanosatellites, both power and data rate, I propose to investigate a new communications architecture that allows solving in an optimal manner the problems of nanosatellites in orbit LEO due to the disruptive nature of their communications by putting emphasis on the link and application layers. This thesis presents and evaluates a new communications architecture to provide services to terrestrial sensor networks using a space Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) based solution. In addition, I propose a new multiple access mechanism protocol based on extended unslotted ALOHA that takes into account the priority of gateway traffic, which we call ALOHA multiple access with gateway priority (ALOHAGP) with an adaptive contention mechanism. It uses satellite feedback to implement the congestion control, and to dynamically adapt the channel effective throughput in an optimal way. We assume a finite sensor population model and a saturated traffic condition where every sensor always has frames to transmit. The performance was evaluated in terms of effective throughput, delay and system fairness. In addition, a DTN convergence layer (ALOHAGP-CL) has been defined as a subset of the standard TCP-CL (Transmission Control Protocol-Convergence Layer). This thesis reveals that ALOHAGP/CL adequately supports the proposed DTN scenario, mainly when reactive fragmentation is used. Finally, this thesis investigates an optimal DTN message (bundles) transfer using proactive fragmentation strategies to give service to a ground sensor network using a nanosatellite communications link which uses a multi-access mechanism with priority in downlink traffic (ALOHAGP). The effective throughput has been optimized by adapting the protocol parameters as a function of the current number of active sensors received from satellite. Also, there is currently no method for advertising or negotiating the maximum size of a bundle which can be accepted by a bundle agent in satellite communications for storage and delivery, so that bundles which are too large can be dropped or which are too small are inefficient. We have characterized this kind of scenario obtaining a probability distribution for frame arrivals to nanosatellite and visibility time distribution that provide an optimal proactive fragmentation of DTN bundles. We have found that the proactive effective throughput (goodput) reaches a value slightly lower than reactive fragmentation approach. This contribution allows to use the proactive fragmentation optimally with all its advantages such as the incorporation of the security model of DTN and simplicity in protocol implementation for computers with many CPU and memory limitations. The implementation of these contributions was initially contemplated as part of the payload of the nanosatellite QBito, which is part of the constellation of 50 nanosatellites envisaged under the QB50 project.