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REDUCTION 20112014 Deliverable 1.1 Report on the design and architecture of onboard technology and wireless communication technology 31082014

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REDUCTION 2011‐2014 

 

Deliverable 1.1 

Report on the design and architecture of onboard technology and wireless 

communication technology 31‐08‐2014 

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II                      

 

 

 

 

 

Public Document 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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III                      

 

 

 

Project acronym: REDUCTION   

Project full title: Reducing Environmental Footprint based on Multi‐Modal Fleet management Systems for Eco‐Routing and Driver Behaviour Adaptation 

 

Work Package:     WP1 

 

 

Document title:   Report on the design and architecture of onboard technology and wireless communication technology     

Version:      3.0 

Official delivery date:  31/08/2014 

Actual publication date:  31/08/2014 

Type of document:    Report 

Nature:                 Public 

               

Authors:  Dimitrios  Katsaros  (UTH),  Leandros  Tassiulas  (UTH),  Iordanis Koutsopoulos  (UTH),  Leandros  Maglaras  (UTH),  Donatos Stavropoulos (UTH) 

 

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IV                      

Approved by:     REDUCTION consortium partners 

  

Version  Date  Sections Affected 

1.0  February 26, 2012  Initial version 

1.5  February 28, 2012  Review comments processed 

2.0  February 12, 2014  Updated to reflect 2nd annual review comments 

3.0  August 21, 2014  Minor corrections 

 

Executive Summary Seamless  and  ubiquitous  connectivity  requires  hardware  solutions  and  communication  and networking  “algorithmic  technology”  that will  form  the  “middleware”  between  the  existing infrastructure‐based network  technology and  the  latest advances  in wireless  technologies and electronics.  In  this deliverable, we deal with  the highly dynamic and volatile environment of vehicular  ad  hoc  networks,  and  present  the  appropriate  hardware  in  the  form  of  a  DSRC communications box, and a suite of algorithms that will address the scalability issues of the ad hoc  network  and  will  also  support  the  communication  between  vehicles  and  also  the communication between fixed infrastructure elements and vehicles. 

 

 

 

 

 

 

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5                      

 

Table of Contents Executive Summary.................................................................................................................................IV

Table of Contents ....................................................................................................................................... 5

List of Tables ............................................................................................................................................... 6

List of Figures ............................................................................................................................................. 6

Glossary....................................................................................................................................................... 7

1. Introduction ............................................................................................................................................ 8

1.1 Project Overview.............................................................................................................................. 8

1.2 Work Package Objectives and Tasks ............................................................................................. 8

1.3 Objective of this Deliverable........................................................................................................... 9

2. Related Work and REDUCTION....................................................................................................... 10

2.1 A brief history of VANETs ........................................................................................................... 10

2.2 Wireless communications technologies for VANETs ............................................................... 12

3. Framework and Methodology ........................................................................................................... 14

3.1 Wireless communication technology for REDUCTION........................................................... 14

3.1.1 Why DSRC?.............................................................................................................................. 14

3.1.2 What is DSRC?......................................................................................................................... 15

3.2 Communication hardware for REDUCTION ............................................................................ 16

3.3 Ad hoc network’s architecture for REDUCTION...................................................................... 18

3.3.1 Alternative network architectures ........................................................................................ 18

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3.3.2 A two tier architecture for REDUCTION ............................................................................ 19

3.3.3 Clustering proposal ................................................................................................................ 21

3.3.4 Cross‐layer packet scheduling/routing for the REDUCTION’s architecture ................. 23

3.3.5 Cross‐layer packet scheduling‐routing proposal ............................................................... 23

3.4 Infrastructure‐based communication: The case of I2V information dissemination ............. 24

3.4.1 Background work on broadcast indexing ........................................................................... 25

3.4.2 Broadcast indexing proposal ................................................................................................. 26

3.5 Algorithms for ad hoc routing and broadcast indexing........................................................... 26

3.5.1 The Enhanced Layered Backpressure algorithm................................................................ 26

3.5.2 The DiSAIn indexing algorithm............................................................................................ 28

4. Risk Analysis and lessons learned..................................................................................................... 31

5. Conclusion ............................................................................................................................................ 32

References ................................................................................................................................................. 33

 

List of Tables Table 1. Summary table for the objectives of the deliverable. ............................................................. 9

Table 2. Wireless technologies versus vehicular applications. .......................................................... 15

 

List of Figures Figure 1. Generic architecture (to be considered in REDUCTION).................................................. 12

Figure 2. DSRC versus other wireless technologies. ........................................................................... 14

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Figure 3.  Layered architecture for DSRC communication. ............................................................... 15

Figure 4. DSRC band. .............................................................................................................................. 16

Figure 5. A typical DSRC box................................................................................................................. 17

Figure 6. WBSS distribution (from [19])................................................................................................ 17

Figure 7. Architectural categories of decentralized VANETs (from [33]). ....................................... 18

Figure 8. Network with 3 clusters.......................................................................................................... 20

Figure 9. Node 3 has the lowest ΣF and is the clusterhead................................................................ 22

Figure 10. I2V type of communication.................................................................................................. 25

Figure 11. Example network with a moving node. ............................................................................. 27

Figure  12.  Impact  of moving  nodes  on  the  delay  performance  of  BP,  LayBP  and  Enhanced LayBP for the dynamic network with the 3 layers. ............................................................................. 28

Figure 13. A small example of the DiSAIn indexing strategy............................................................ 29

Figure 14. Impact of number of items on mean tuning time. ............................................................ 30

Figure 15. The NITlab wireless testbed and the ICARUS wireless communications box. ............ 31

 

Glossary I2V  Infrastructure‐to‐Vehicle IVC  Inter‐vehicular communications OBU  On‐Board Unit RSU  Road‐Side Unit V2I  Vehicle‐to‐Infrastructure V2V  Vehicle‐to‐Vehicle VANET  Vehicular Ad‐hoc Network 

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1. Introduction 

1.1 Project Overview 

Reduction  of CO2  emissions  is  a  great  challenge  for  the  transport  sector  nowadays. Despite recent progress in vehicle manufacturing and fuel technology, still a significant fraction of CO2 emissions  in  EU  cities  is  resulting  from  vehicular  transportation.  Therefore,  additional innovative  technologies  are  needed  to  address  the  challenge  of  reducing  emissions.  The REDUCTION project focuses on advanced ICT solutions for managing multi‐modal fleets and reducing their environmental footprint. REDUCTION collects historic and real‐time data about driving  behavior,  routing  information,  and  emissions  measurements  that  are  processed  by advanced predictive analytics to enable fleets enhancing their current services as follows:  

1) Optimizing driving behavior: supporting effective decision making  for  the enhancement of drivers’  education  and  the  formation  of  effective  policies  about  optimal  traffic  operations (speeding, braking,  etc.), based on  the  analytical  results over  the data  that  associate driving‐behavior patterns with CO2 emissions;  

2)  Eco‐routing:  suggesting  environmental‐friendly  routes  and  allowing  multi‐modal  lets  to reduce their overall mileage automatically; and  

3) Support  for multi‐modality: offering a  transparent way  to  support multiple  transportation modes and enabling co‐modality.  

REDUCTION follows an interdisciplinary approach and brings together expertise from several communities.  Its  innovative,  decentralized  architecture  allows  scalability  to  large  fleets  by combining  both V2V  and V2I  approaches.  Its  planned  commercial  exploitation,  based  on  its proposed cutting edge technology, aims at providing a major breakthrough in the fast growing market of services for ʺgreenʺ fleets in EU and worldwide, and present substantial impact to the challenging environmental goals of EU. 

1.2 Work Package Objectives and Tasks 

WP1  deals  with  hardware  design  and  development  issues  and  also  with  basic  wireless communication infrastructure and networking aspects. Its objective is to develop the on‐board technology  taking  also  into  account  the  requirement  for  supporting multi‐modal  fleets  for passenger transport. 

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WP1 consists of three tasks: 

[T1.1] Design and architecture. 

[T1.2] Onboard technology. 

[T1.3] VANET packet scheduling/routing and information dissemination. 

The present deliverable  is  the  report on T1.1. This  task will  first  collect  requirements on  the overall architecture of  the onboard  technology. This  is done  in  close  collaboration with  tasks T2.1, T3.1, and T4.1. Then, an  initial architecture for technical component communication, set‐up and  installation  routines of devices  is  implemented. Existing and/or novel communication protocols will be used by  the other components to  interact with  the distributed  infrastructure. T1.2  is  about  onboard  technology,  i.e.,  the  hardware  involved, T1.3  is  about VANET  packet scheduling‐routing and information dissemination, and finally T1.4 focuses on  intelligent V2V and V2I communication. 

1.3 Objective of this Deliverable 

The  goal  of  this  deliverable  is  to  select  the  appropriate  communication  technologies  for REDUCTION,  to decide  the architecture at  the network  level  that REDUCTION will be based upon,  to  recognize  which  are  the  topics  areas  that  existing  work  is  not  adequate  for REDUCTION and set forward efforts for the development of novel algorithms and techniques to address  the  specific goals  that REDUCTION has  set. Although  the  techniques  that will be developed here are appropriate for any ad hoc network, we emphasize that there are to be used for  vehicular  ad hoc networks  to  serve passenger  fleets. Table  1  summarizes  the  task/report objectives. 

Objective to achieve  Task  Methodology 

Wireless communication DSRC‐based suite of standards 

DSRC box, UTH’s ICARUS nodes 

Ad hoc network scalability  Clustering Spring, social‐based clustering 

Routing  Backpressure  LayBP Selective channel tuning for I2V  Broadcast indexes  DiSAIn 

Table 1. Summary table for the objectives of the deliverable. 

 

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2. Related Work and REDUCTION 

2.1 A brief history of VANETs Vehicular Ad Hoc Networks  (VANETs)  [5],[32]  constitute  an  emerging  new  technology  that integrates  the  capabilities  of  new  generation  wireless  networks  to  vehicles.  The  idea  is  to provide:  (1) ubiquitous  connectivity  ‐ while on  the  road‐  to mobile users, who are otherwise connected  to  the outside world  through other networks at home or at  the workplace, and  (2) efficient vehicle‐to‐vehicle  communications  that enable  the  Intelligent Transportation Systems (ITS). Therefore, vehicular ad hoc networks are also called Inter‐Vehicle Communications (IVC) [28] or Vehicle‐to‐Vehicle (V2V) communications. 

The  progresses  of  Intelligent  Transport  Systems  (ITS)  have  accelerated  and  utilised  recent advances  in  electronics  and  computer  technologies.  ITS  are  essentially  the  merger  of developments  in  computing,  information  technology  and  telecommunications,  coupled  to automotive  and  transportation  sector  expertise. Vehicles  communicate  to  each other  to  share some  important  and  emergent  information  in  typical  application  scenarios.  ITS present  cost‐effective solutions to a wide range of applications, such as electronic toll collection, emergency vehicle notification systems, automatic road enforcement, or fleet management systems. 

VANET and IVC have drawn a significant research interests from both academia and industry. One of the earliest studies on IVC was started by JSK (Association of Electronic Technology for Automobile  Traffic  and  Driving)  of  Japan  in  the  early  1980s.  Later,  projects  such  as  the California PATH and Chauffeur of EU have also demonstrated the technique of coupling two or more vehicles together electronically to form a train. Recently, the European project CarTALK 2000  tries  to  investigate problems  related  to  the  safe and comfortable driving based on  inter‐vehicle  communications.  On  the  other  hand,  several major  automobile manufacturers  have already begun to  invest  in  inter‐vehicle networks. Audi, BMW, DaimlerChrysler, Fiat, Renault and  Volkswagen  have  united  to  create  a  non‐profit  organization  called  Car2Car Communication Consortium (C2CCC) which is dedicated to the objective of further increasing road  traffic safety and efficiency by means of  inter‐vehicle communications. IEEE also formed the new IEEE 802.11p task group, which focuses on providing wireless access for the vehicular environment. 

VANETs  are  distinguished  from  other  kinds  of  ad  hoc  networks  in  the  following  aspects [9],[20]: 

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Highly dynamic topology. Due to high speed of movement between vehicles, the topology of VANETs is always changing. Assuming, e.g., that the wireless transmission range of each vehicle  is 250 m, so that there  is a  link between  two cars whose  in between distance  is  less than 250 m. In the worst case, if two cars with the speed of 60 mph (25 m/sec) are driving in opposite directions, the link will last only for at most 10 sec. 

Frequently disconnected network. Due to the same reason, the connectivity of the VANETs could also be changed  frequently. Especially when  the vehicle density  is  low,  it has higher probability that the network  is disconnected. One possible solution is to pre‐deploy several relay nodes or access points along the road to keep the connectivity. 

Sufficient  energy  and  storage. VANET  nodes  have  ample  energy  and  computing  power (including both storage and processing). 

Geographical  type  of  communication.  Compared  to  other  networks  that  use  unicast  or multicast, where the communication end points are defined by ID or group ID, the VANETs often have a new type of communication which addresses geographical areas where packets need to be forwarded. 

Mobility modeling  and predication. Due  to highly mobile node movement  and dynamic topology,  the  factors of mobility model  and prediction play  an  important  role  in network protocol  design  for  VANETs.  Moreover,  vehicular  nodes  are  usually  constrained  by highways, roads and streets, so given the speed and the street map, the future position of the vehicle can be predicted.  

Communication  environments.  VANETs  are  usually  operated  in  two  typical communications  environments.  In highway  traffic  scenarios,  the  environment  is  relatively simple  and  straightforward  (e.g.,  one‐dimensional movement); while  in  city  conditions  it becomes much more complex. The streets in a city are often separated by buildings, trees and other obstacles. Therefore, there does not always exist a direct line of communications in the direction of intended data communication. 

Hard delay constraints.  In some VANETs applications,  the network does not  require high data rates, but it has hard delay constraints. For example, in an automatic highway system, when brake event happens, the message should be transferred and arrived in a certain time to avoid car crash. In this kind of applications, instead of average delay, the maximum delay is crucial.  

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Interaction with on‐board  sensors. For example, GPS  receivers are  increasingly becoming common in cars that help to provide location information for routing purposes. It is assumed that the nodes are equipped with on‐board sensors to provide information that can be used to form communication links and for routing purposes. 

2.2 Wireless communications technologies for VANETs Vehicles may utilise a variety of wireless technologies to communicate with other devices, but the  dominant  is  Dedicated  Short‐Range  Communication  (DSRC)  [11], which  is  designed  to support  a  variety  of  applications  based  on  vehicular  communication.  Wireless  Access  in Vehicular Environment (WAVE) is a term used to describe the suite of IEEE P1609.x standards that are  focused on MAC and network  layers. WAVE  is  fairly  complex and  is built over  the IEEE 802.11 standards by amending many tweaks to guarantee fast reliable exchange of safety messages. WAVE is the core part of DSRC; however, either of the two terms is commonly used arbitrarily. In some cases, the term DSRC is used as a more general term compared to WAVE. 

 

Figure 1. Generic architecture (to be considered in REDUCTION). 

The DSRC network is built over two basic units: Road‐Side Unit (RSU) and On‐Board Unit (OBU). The RSU  is,  typically, a stationary unit  that connects  roaming vehicles  to  the access network, 

Cluster leaders

RSU RSU

V2V comm V2I comm

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which,  internally,  is  connected  to  a  larger  infrastructure  or  to  a  core  network.  The OBU  is, typically,  a  network  device  fixed  in  a  roaming  vehicle  and  is  connected  to  both  the DSRC wireless network and to an in‐vehicle network (e.g., the Car‐Area Network ‐ CAN). This generic architecture, which will be considered in REDUCTION, is depicted in Figure 1. 

Having presented  the basic  terminology about  the  implementation of a VANET,  in  the rest of this report, we describe the hardware, communication technology and network architecture that comprises the heart of the REDUCTION networking architecture. 

 

 

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3. Framework and Methodology 

3.1 Wireless communication technology for REDUCTION 

3.1.1 Why DSRC? Various  communication  technologies  could  be  considered  for  REDUCTION.  In  Figure  2 (adopted  from  [19]),  we  can  see  the  characteristics  of  DSRC  relatively  to  other  wireless communications technologies. It follows that its data rate along with its monetary cost are two appealing factors for its adoption. 

 

Figure 2. DSRC versus other wireless technologies. 

Besides of that, DSRC is currently considered the most promising wireless standard that can be used  to  connect  infrastructure  (like  roadside)  to  vehicle  (I2V)  and  vehicle‐to‐vehicle  (V2V). DSRC standard is based on the WiFi architecture. Relevant application layer consortiums, such as  the  Vehicle‐Infrastructure  Integration  (VII  now  called  IntelliDriveSM),  Cooperative Intersection Collision Avoidance  Systems  (CICAS)  and  others have developed  their  architect with DSRC services in mind [35]. Table 2 summarizes the reasons for which DSRC is considered as appropriate for most of the vehicle‐based applications. 

Collision avoidance  DSRC 

Road sign notifications  DSRC, CALM Safety 

Incident management  WiFi, DSRC, cellular network 

Traffic management  DSRC, cellular network, DAB Efficiency 

Road monitoring  IR, ZigBee, DSRC 

Entertainment MMWAVE, WLAN, WiMAX, DVB, DVB‐H Comfort 

Contextual information  DSRC, cellular network, DAB 

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Table 2. Wireless technologies versus vehicular applications. 

3.1.2 What is DSRC? Figure 3 illustrates the protocol stack for DSRC communication, including shorthand names of protocols and  standards  intended  for use at  the various  layers. At  the PHY and MAC  layers DSRC utilises  IEEE 802.11p Wireless Access  for Vehicular Environments  (WAVE), a modified version of the familiar IEEE 802.11 (WiFi) standard. In the middle of the stack DSRC employs a suite  of  standards defined  by  the  IEEE  1609 Working Group:  1609.4  for Channel  Switching, 1609.3 for Network Services (including the WAVE Short Message Protocol (WSMP), and 1609.2 for Security Services. DSRC also supports use of well‐known Internet protocols for the Network and Transport layers, i.e., Internet Protocol version 6 (IPv6), User Datagram Protocol (UDP) and Transmission Control Protocol (TCP). These protocols, defined by the Internet Engineering Task Force  (IETF),  are  stable  and  well  documented.  The  choice  between  using  WSMP  or IPv6+UDP/TCP depends on the requirements of a given application. Single‐hop messages, such as those upon which collision prevention applications are based, typically use the bandwidth‐efficient WSMP, while multi‐hop packets use IPv6 for its routing capability. 

 

Figure 3.  Layered architecture for DSRC communication. 

Detailed information of these layers can be found at [11]. DSRC has been allocated the spectrum from 850 GHz to 5.925 GHz,  i.e.,  the “5.9 GHz band”. This spectrum  is divided  into seven, 10 

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MHz channels with a 5‐MHz guard band at the low end, as illustrated in Figure 4. Pairs of 10 MHz channels can also be combined into a 20 MHz channel. 

 

Figure 4. DSRC band. 

3.2 Communication hardware for REDUCTION A  typical  DSRC  box  –  see  Figure  5  for  an  example  –  hosts  a  powerful  INTEL  multi‐core processor  ready  to  take  on  any  task  ranging  from  vision,  sensor  fusion  and  of  course V2X. Performance  to  bear  whilst  keeping  a  small  form‐factor  applicable  in  an  automotive environment was an important design factor as well. The device is complemented with a robust Linux OS and ready to be deployed in current V2X projects. Typical features of it include:  

• standard x86 architecture INTEL® CORE 2 DUO 2 GHz with temp. range 0°C to ~60°C,  • onboard 2GB DDR2 RAM,  • onboard 2/4/8 GB Solid State Disk,  • ETH 100 MBit • USB2.0 • CAN • IEEE 802.11p radio • wide‐range power supply (8 ~ 32V, 20W) • customized enclosure for enhanced heat dissipation • automotive grade connectors • customized & robust Linux OS 

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 Figure 5. A typical DSRC box. 

The wireless connection between RSU and OBU  is based on WAVE standards suite. As OBUs move  between  communication  zones,  vehicles  exchange  information  with  the  roadside;  in addition, vehicles use the same WAVE media to communicate with each other. 

Figure  6 presents  a plan view where  the  light posts  shown  off  the green  are  equipped with RSUs. Each RSU has a communication zone indicated by the triangular conem, and vehicles go through different communication zones as  they drive, e.g., on a highway. To define different WAVE communication zones, we can consider  the  term WAVE Basic Service Set  (WBSS) as a unique identifier for each communication zone. Vehicles must associate with only one WBSS at a  time. Hence,  each  communication  zone  has  its  own WBSS.  Figure  6  exemplifies  the  first communication  zone  from  the  left  is WBSS‐1  and  the  last  is WBSS‐4. Vehicles  close  to  each other, such Car‐B and Car‐C, may have a V2V communications, such as WBSS‐5. WBSS‐1 is an I2V,  therefore  vehicles  may  be  part  of  either  I2V  V2V  session  at  the  same  time.  The communication  zone  covered  by  each  IEEE  802.11p RSU  is  limited  to  a maximum  of  1 Km diameter  and  uses  5.9 GHz  radio  transmission. OBUs  are  expected  to  join  the WBSS  of  the closest RSU, exchange information, and typically leave within limited time (mean estimate 3.6 sec).  

 

Figure 6. WBSS distribution (from [19]). 

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3.3 Ad hoc network’s architecture for REDUCTION Several decentralized traffic information systems have been proposed in the past to reduce the maintenance  costs  of  the  centralized  server  approach.  These  can  be  categorized  into  four families that are detailed in the following [33]. 

 

Figure 7. Architectural categories of decentralized VANETs (from [33]). 

3.3.1 Alternative network architectures 

Single‐tier VANETs 

In  this  type, depicted  in Figure 7a, we have a flat vehicular ad hoc network, where nodes (i.e., vehicles) communicate with each other via their OBUs. Vehicles communicate with each other 

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through  inter‐vehicle  communication,  and  periodically  broadcast  their  current  speeds  and positions to neighboring vehicles. A part of the traffic information, a vehicle receives may also be propagated to its neighbors through broadcast messages. Based on the received messages, a vehicle can generate traffic reports. 

Single‐tier p2p over VANETs 

The  above  architecture  can  be  further  extended  to  a  Peer‐to‐Peer  (P2P)  over  VANET architecture, as shown in Figure 7b. Vehicles form an application‐layer P2P overlay network on top of the VANET. The P2P overlay can be unstructured, such as Gnutella, or structured, such as Chord.  The  vehicles  share  their  resources  (i.e.,  traffic  information)  and  retrieve  resources from others  through  the P2P overlay. The application‐layer P2P overlay communication relies on the routing protocol of the underlying VANET. A vehicle should establish a routing path in the  VANET  first;  then  an  application‐layer message  can  be  transmitted  along  the  route  to another vehicle. 

Single‐tier infrastructure‐based p2p 

Another  single‐tier  architecture  involves  forming  a  P2P  overlay  through  an  infrastructure network, as shown in Figure 7c. Vehicles are required to have a broadband wireless interface to access the infrastructure network. Vehicles communicate with each other through infrastructure communication instead of ad‐hoc communication. 

Two‐tier VANETs 

Vehicles  are  first  organized  into  groups  in  VANETs.  Similar  to  the  single‐tier  VANET architecture,  traffic  information  is  broadcasted  and  exchanged  among  vehicles  through  IVC. Some vehicles in the groups are selected to form a high‐tier P2P overlay through infrastructure wireless communication. These vehicles are called superpeers (or cluster heads ‐ CHs) and serve as  a  bridge  between  the  high‐tier  and  low‐tier  networks  to  handle message  exchanges  and lookups. This architecture (Figure 7d) is the most promising one, since it is scalable and, thus, the most appropriate for the high velocity of the moving vehicles. 

3.3.2 A two tier architecture for REDUCTION REDUCTION will be based on vehicle  clustering. Clustering  is  the process of  separating  the nodes of a network into organized partitions called clusters. The clusters form sub‐networks in the overall network, thus forming the hierarchical topology. Figure 8 illustrates a clustered ad hoc network. Nodes in a cluster must be one of the following types:  

• Clusterhead  (CH):  An  elected  node  that  acts  as  the  local  controller  for  the  cluster.  The 

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clusterheadʹs  responsibilities  may  include:  routing,  relaying  of  inter‐cluster  traffic  from cluster  members,  scheduling  of  intra‐cluster  traffic,  and  channel  assignment  for  cluster members. 

• Cluster Member: A normal node belonging  to  a  cluster. Cluster members usually do not participate in routing, and they are not involved in inter‐cluster communication. 

• Gateway Node: This  is  an  optional node, which  is used  in  some  clustering  schemes. The gateway node belongs to more  than one cluster, acting as the bridge between clusterheads. When present, the gateway nodes participate in both forwarding of  inter‐cluster traffic and the routing process. The clusterheads and gateway nodes form the backbone network. 

 

Figure 8. Network with 3 clusters. 

The recent research in cluster‐based MAC and routing schemes for Vehicle Ad Hoc Networks (VANETs) motivates the necessity for a stable VANET clustering algorithm. Due to the highly mobile  nature  of  VANETs,  mobility  must  play  an  integral  role  in  cluster  formation.  By clustering  the  vehicles  into  groups  of  similar  mobility,  the  relative  mobility  between communicating neighbor nodes  can be  reduced. Both delay‐intolerant  (e.g.,  safety messages) and  delay‐tolerant  (e.g.  road/weather  information)  data  will  need  to  be  transmitted, necessitating Quality‐of‐Service (QoS) requirements. Although there is not a VANET clustering scheme focused on cluster stability, there are many mobility‐based clustering techniques for ad hoc networks. A well‐known mobility‐based  clustering  technique  is MOBIC  [1], which  is  an extension of the Lowest‐ID algorithm [13]. In Lowest‐ID, each node is assigned a unique ID, and the node with  the  lowest  ID  in  its  two‐hop neighborhood  is elected  to be  the cluster head.  In MOBIC, an aggregate local mobility metric is the basis for cluster formation instead of node ID. Other  schemes  are  based  on  the  idea  of  exploiting  the  RSUs  [2],  the  mobility  of  vehicles [25],[29],  their  position  [34],  the  multi‐channel  feature  of  DSRC  [40],  or  the  specific  road 

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topology where the vehicles are roaming [23]. 

In  [17]  a  random‐walk‐based  layering‐clustering  is  developed  that  is  appropriate  for  static networks, but  it  is  centralized. The algorithm  runs  in blocks where  in each block a node  i  is selected as a source. The algorithm takes successive random steps from node i for a predefined number of steps h for K iterations. Every node holds a counter indicating how many times it is visited  from  the  random walk algorithm  in  the current block. The procedure moves  in  steps, inserting at every  iteration at most two nodes  in  the possible  layer,  leading to a relatively fair clustering of the nodes after its termination. This procedure is repeated for each node belonging to a temporary layer until all the layers are fixed.  

In VANETs, dynamic topology causes routing difficulties as well as congestion from flooding, and  the dense network  leads  to  the hidden  terminal problem. A clustered structure can make the  network  appear  smaller  and more  stable  in  the  view  of  each  node,  and moreover  can address  is  the  “broadcast  storm  problem”  [36].  The  broadcast  storm  problem  describes  the congestion  resulting  from  rebroadcasts  and  flooding  in  an  ad  hoc  network.  The  dynamic topology of VANETs demands a high frequency of broadcast messages to keep the surrounding vehicles  updated  on  position  and  safety  information.  In  addition, many  routing  algorithms necessitate flooding the network to find routes, which in a dynamic network needs to be done frequently to keep routes updated. All of this flooding leads to severe congestion, which can be alleviated  by  a  clustered  topology.  When  the  network  is  clustered,  only  the  clusterhead participates  in  finding  routes, which  greatly  reduces  the  number  of necessary  broadcasts.  In addition, MAC schemes can greatly reduce interference. 

3.3.3 Clustering proposal Even  though  the  two‐tier  clustering  schemes  have  established  themselves  as  the  preferred choice,  nevertheless  none  of  those  proposed  so  far  is  the  clear  winner.  Therefore,  we  are investigating  the  idea of  “spring‐clustering”.   The  idea  is based on  force‐directed  algorithms. The  force‐directed  assign  forces  among  the  set  of  edges  and  the  set  of  nodes;  the  most straightforward method  is  to  assign  forces  as  if  the  edges were  springs  and  the nodes were electrically charged particles. The entire graph is then simulated as if it were a physical system. The forces are applied to the nodes, pulling them closer together or pushing them further apart.  

The spring‐clustering method considers a spring‐like  force  for every pair of nodes  (i,j) where the ideal length δij of each spring is proportional to the graph‐theoretic distance between nodes i and j. All the links among nodes are treated as springs with force Fij. 

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ijijij xkF =  (1), 

where xij is the Euclidean distance between the nodes and  kij is computed using the following equation: 

same thestays distance the,1closer moving are nodes the,2

away moving are nodes twothe,1−=ijK  

Each node has knowledge about its current position, the position of each other connected to it node, and  the velocity vectors of  itself and  the other nodes. We describe our algorithm  in  the following steps: 

1 All  nodes  send  and  receive  “Hello”  messages  to/from  their  neighbors.  Each  node calculates the pairwise relative force F using equation (1). 

2 Each node computes the average force Σf from its 1‐hop neighbors. 

3 If  a  node  has  the  lowest  value  of  Σf  (aggregate  forces)  amongst  all  its  neighbors,  it assumes the status of a Cluster Head; for an example, see Figure 9. Otherwise, it declares itself  to  be  a  Cluster Member.  If  a  node  is  a  neighbor  of  two  clusterheads,  then  it becomes a “gateway” node. 

 Figure 9. Node 3 has the lowest ΣF and is the clusterhead. 

 

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3.3.4 Cross‐layer packet scheduling/routing for the REDUCTION’s architecture Routing in VANETs [30] can be classified into five categories as follows:  

•  Ad  hoc.  VANETs  and  MANETs  share  the  same  principle:  not  relying  on  fixed infrastructure  for  communication,  and  have  many  similarities,  e.g.,  self‐organization,  self‐management,  low bandwidth and  short  radio  transmission  range. Thus, most ad hoc  routing protocols  are  still  applicable,  such  as AODV  (Ad‐hoc On‐demand Distance Vector)  and DSR (Dynamic Source Routing). AODV and DSR are designed  for general purpose mobile ad hoc networks and do not maintain routes unless they are needed. 

•  Position‐based.  Node movement  in  VANETs  is  usually  restricted  only  bidirectional movements  constrained  along  roads  and  streets.  So,  routing  strategies  that use  geographical location  information  obtained  from  street  maps,  traffic  models,  or  even  more  prevalent navigational  systems  on‐board  the  vehicles make  sense  [18].  Therefore,  geographic  routing (position‐based  routing)  has  been  identified  as  a  more  promising  routing  paradigm  for VANETs [4]. 

•  Cluster‐based. In cluster‐based routing, a virtual network infrastructure must be created through the clustering of nodes in order to provide scalability. 

•  Broadcast. Broadcast  is a frequently used routing method  in VANETs, such as sharing traffic, weather, emergency, road condition among vehicles, and delivering advertisements and announcements. Broadcast is also used in unicast routing protocols (routing discovery phase) to find an efficient  route  to  the destination. When  the message needs  to be disseminated  to  the vehicles beyond  the  transmission  range, multi‐hop  is used. The  simplest way  to  implement a broadcast service is flooding, in which each node re‐broadcasts messages to all of its neighbors except the one it got this message from. 

•  Geocast routing. Geocast routing [14] is basically a location‐based multicast routing. The objective of a geocast routing is to deliver the packet from a source node to all other nodes with a specified geographical region (Zone of Relevance, ZOR). 

A  qualitative  comparison  of  these  protocols  can  be  found  at  [12].  Though,  none  of  these protocols offers QoS (e.g., throughput, delay) guarantees. 

3.3.5 Cross‐layer packet scheduling‐routing proposal On  the  other  hand,  in  the  world  of  ad  hoc  networking  the  issue  of  cross‐layer  design  of communication  protocols  with  throughput  optimality  has  received  a  lot  of  attention.    The 

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development of a  throughput‐optimal  routing algorithm  for packet  radio networks, which  is also robust  to  topology changes, was  first presented  in [31].  It  is based on  the Lyapunov drift theory, and  it  is known as  the backpressure  (BP) packet  scheduling algorithm. Subsequently, the original concept spawns several lines of research in the topic.  

The performance of backpressure deteriorates in conditions of low, and even of moderate, load in  the network,  since  the packets  “circulate”  in  the network,  i.e.,  the backpressure  algorithm stabilizes  the  system using  all  possible  paths  throughout  the  network. The  net  effect  of  this mechanism  is  to  increase delay. Routing‐loop  formation  is another drawback of backpressure routing.  In many  real  time applications, such as  in cases of voice and video, high end‐to‐end packet delay is unacceptable. Often in such applications, a packet received with high delay is no better than packet loss. We could prevent high end‐to‐end delay in backpressure routing by not forwarding the packets on longer paths. But we still want to maintain the sufficient routes for any  source‐destination  pair  to  provide  adequate  load  balancing  in  case  of  high  traffic  load. Generally,  these  two objectives  conflict with each other because  few  short  routes  exist  in  the network. 

This cross‐layering approach is very significant for VANETs since it can guarantee throughput optimality,  provided  that  it  has  acceptable  delay  performance.  The  Enhanced  Layered Backpressure  algorithm  (see  later  section)  is  such  an  algorithm with  the  only drawback  that currently runs in a centralized fashion; it requires a network controller that has full knowledge of the network status, i.e., topology and queuing information. 

3.4 Infrastructure‐based communication: The case of I2V information dissemination 

Apart from PHY and MAC layer issues in the I2V communication between RSUs and vehicles, the  task of broadcasting  is a  fundamental operation  that exploits  the shared medium,  i.e.,  the wireless channel, to transmit information to clients (vehicles). The communication protocols in such mode  can  be  implemented  either  as  pure  pull‐based,  pure  push‐based  or  on‐demand broadcasting.  In  pure  pull‐based  broadcast,  the  clients  request  information  via  an  uplink channel, and subsequently the server allocates a channel for the requesting client, and transmits the  information.  In  pure  push‐based  broadcast,  the  server  sends  information  over  common broadcast channel to all listening ‘consumers’ (clients). In on‐demand broadcast, the clients pose requests to the server, and the server broadcasts the responses via a shared broadcast channel – thus a single response can satisfy multiple  requests. Apparently,  (pure‐push and on‐demand) broadcasting  is  a  preferred  choice  for  modern  wireless  networks,  since  it  overcomes  the 

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scalability  issues  associated  with  the  large  number  of  consumers  and  the  large  volume  of transmitted data. 

Consider,  for  instance,  a data dissemination  application  in  an  Infrastructure‐to‐Vehicle  (I2V) case.  In  this push‐based broadcast  system,  the RSUs broadcast  information  concerning  issues relevant to the moving vehicles, e.g., traffic congestion reports, updated routing instructions for the vehicles of a fleet, and so on. Each RSU constructs a broadcast program with the needed info and  broadcasts  it  periodically. All  vehicles  can  tune  in  to  the  broadcast  channel  in  order  to retrieve  the  information  (data  items) without  sending  explicit  requests  for  them,  thus  avoid ’choking’  the uplink channel. Figure 10  illustrates such a scenario. A vehicle wants  to retrieve data  item  B  from  a  broadcast  channel.  The  importance  of  knowing  when  item  B  will  be broadcasted is crucial, because the vehicle can decide to accelerate to get it from the next RSU, or slow down to get it from the current RSU. The presence of air indexes would give an answer about the time of broadcast. Regulation of the vehicle’s velocity and knowledge of the distance between successive RSUs could provide a suggestion to the driver about its driving policy. 

 

Figure 10. I2V type of communication. 

3.4.1 Background work on broadcast indexing An adaptation of  the  idea of B+‐tree  indexing  in wireless environments was  first described  in [7], where  instead of the disk addresses the leaves of the B+‐tree store  the arrival time of each datum in the broadcast channel. Similarly, an adaptation of the traditional hash‐based indexing technique  in wireless environments was earlier described  in  [6], and  later was generalized  in [37].  Hybrids  between  the  two  approaches  are  described  in  [24],  [38].  Adaptation  of  such indexing  schemes  (e.g., B+‐tree)  to work  in multiple  broadcast  channels  is described  in  [39]. 

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They do not propose new schemes but simply different allocation methods for the nodes of the indexing tree.  

In all these works it is assumed that: a) there is a global ordering among the transmitted data, and b) the access pattern is uniform. Deviating from the uniform access probability assumption, several works considered  the effect of access skew on  the design of  indexing schemes. A new scheme is proposed in [26], which is a k‐ary version of the basic binary Alphabetic Tree over the data, whereas  [39] adapted  the  indexing method of  [7]  to deal with non‐uniformity  in access. Various  methods  were  based  on  the  construction  of  a  binary  or  k‐ary  Alphabetic  Tree  to develop  indexing  schemes  for multiple  broadcast  channels  [8],  [41].  These methods  do  not provide new  types of  tree‐structured  indices, but rather a new allocation method  for  the  tree‐structured method of Alphabetic trees to the multiple channels. All these works assume that: a) there is a global ordering among the transmitted data. There are only a couple of works [3], [10], which deviated from both the uniformity and global ordering assumptions. 

3.4.2 Broadcast indexing proposal In  the  context  of  efficient  broadcast  indexing,  the DiSAIn  index  is  proposed  to  address  the problem of  skewed access probabilities observed  in  real  life applications and  the appropriate data dissemination in VANETs. 

3.5 Algorithms for ad hoc routing and broadcast indexing 

3.5.1 The Enhanced Layered Backpressure algorithm 

Backpressure [31] is a joint scheduling and routing policy which favors traffic with high backlog differentials.  The  backpressure  algorithm  performs  the  following  actions  for  routing  and scheduling decisions at every time slot t: 

Resource  allocation.  For  each  link  assign  a  temporary weight  according  to  the  differential backlog of every commodity. 

Scheduling.  The  network  controller  chooses  the  control  action  that maximizes  the  sum  of weights. 

Routing.  Backpressure  algorithm  is  throughput‐optimal  and  discourages  transmitting  to congested  nodes,  utilising  all  possible  paths  between  source  and  destination.  This  property, leads  to unnecessary  end‐to‐end delay when  the  traffic  load  is  light. Moreover, using  longer paths in cases of light or moderate traffic wastes network resources. 

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Implementation.  In  [17], we developed a delay‐efficient backpressure algorithm based on  the creation of layers in the network called LayBP. The main idea is to split the network into layers according to the connectivity among them, which also (usually) implies geographic proximity, as  well.  These  layers  divide  the  initial  graph  to  k  smaller  networks.  Then  the  algorithm forwards packets according to the destination layer ID, thus effectively reducing the long paths. In some sense, these layers play the role of attractors that attract the packets destined for them and then “disallow” the packets to leave the layer.  

Routing protocols must be dynamic in order to cope with mobility of nodes in modern wireless networks. Widely varying mobility characteristics are expected to have a significant impact on the performance of routing protocols that are based on node grouping in order to route packets even  if  links  among  nodes  are  updated.  In  case  of  grouping‐based  routing  protocols,  high mobility of nodes, which lead them to change groups, degrades the performance of the methods since  this  ‘wrong’  information  is used  in  the  routing procedure. Although LayBP doesn’t use gateways, it still suffers from this behavior if the layer that the moving nodes belong to, are not updated. The differential backlog of each link is computed according to the difference between current  and  destination’s  node  layer.  It  is  clear  that  LayBP  behavior  can  be  affected  of ‘misplaced’ nodes.  In  this  case packet may be  forwarded  to  layers different  than  the desired making the method inappropriate. 

In order to cope with node mobility, we designed the Enhanced LayBP algorithm [16]; it is the original LayBP algorithm with one more step,  in which moving nodes recalculate their cluster according  to  their neighborhood.  In  the  initiation, phase  every node has  a  counter  for  every layer  ID,  indicating how many neighbors belong  to  it and a variable  indicating  the  layer  that node  n  belongs  to.  Every  t  time  slots  every  moving  node  update  the  layer  it  belongs  to according to a dedicated algorithm (for an example, see Figure 11). 

13 13 13

Layer 2

3

2 9 10

12118

1

4 6

5 7Layer 1

T_0: (time slot 0) T_1: (time slot 1000)

Layer 3

T_2: (time slot 2000)

 

Figure 11. Example network with a moving node. 

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Despite  its  desirable  properties,  including  being  throughput  optimal  and  operating  on instantaneous  queue  and  channel  states  without  requiring  knowledge  of  the  underlying statistical distributions, max‐weight scheduling  (Backpressure based  routing algorithms) does require global knowledge of network state information, an unrealistic assumption for most real‐world implementations. In practical networks, possessing full system state information requires dissemination of such information to all nodes. Exchanging this network state information leads to  increases  in protocol complexity and overhead, and,  therefore, may result  in a reduction  in efficiency.  

In order to fully implement the Enhanced Layered Backpressure in VANETs, the protocol will be implemented in a distributed fashion along the lines of [21], [22] and [27]. 

Evaluation.  A  preliminary  simulation‐based  evaluation  of  the  proposed  Enhanced  LayBP algorithm, shows that it is a delay‐aware and throughput‐optimal backpressure algorithm; see, for instance, Figure 12. 

 

Figure 12. Impact of moving nodes on the delay performance of BP, LayBP and Enhanced LayBP for the dynamic network with the 3 layers. 

 

3.5.2 The DiSAIn indexing algorithm To overcome  that problem of  ‘blindly’ searching among all  transmitted data  from a RSU,  the RSU usually  interleaves along with  the data, and  some  index packets,  to help  the consumers ‘move’  into  the broadcasted  information. The  index packets contain the necessary  information to guide  the user  through  the  transmitted data, until  the user  reaches  the  information. These index  packets  play  the  role  of  the  indices  that we  encounter  into  the  traditional  disk‐based database  systems.  The  difference  between  the  two  is  that  the  broadcast  channel  is  a  one‐

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dimensional medium,  and  the  interleaving  of  index  packets  increases  the  access  time,  in  an attempt to decrease the tuning time. These performance measures are typically used to measure the  efficiency  of  a wireless  data  broadcast  system;  access  time  is  the  time  elapsed  from  the moment a request is issued by a client to the moment the requested data is returned, and tuning time is the duration of time a client stays tuned in to collect requested data items. All indexing schemes attempt to achieve the best tradeoff between tuning time and access time. 

Implementation. The objective of  the DiSAIn  index  [15]  is  to address  the problem of skewed access probabilities observed in real life applications and the appropriate data dissemination in VANETs. To achieve this, it adds more ‘pointers’ to the original ExpIn index [37], but it retains some of  the properties of  the ExpIn  index: each bucket of  the broadcast cycle contains a data bucket and an  index  table. The  index  table consists of  i entries. Each entry  indexes a range of buckets that are 2i−1 to 2i − 1 buckets away and holds the maxkey value of these buckets. But for the last bucket, the DiSAIn maintains another index, the skewed index SI, which points to the most popular element MP of the segment. The construction of the index table takes place in an initiation  phase  where  the  distance  of  MP  from  the  maxkey  value  of  the  last  segment  is calculated for each data element. In case where all data elements of the last segment have equal access probabilities, then the DiSAIn indexes one of these elements at random.  

 

Figure 13. A small example of the DiSAIn indexing strategy. 

Figure 13 illustrates a sample DiSAIn index; it is supposed that the elements ‘A’ to ‘H’ are to be indexed, and  that  the element  ‘F’  is  the most popular one.  In general, one  fourth of  the  total number of pointers point to this ‘hot’ element. If the client tunes into the broadcast channel just before  item  ‘A’,  then  it retrieves  the  index  table  that corresponds  to  the bucket of  ‘A’.  In case where the client issues a query for item ‘F’, a pointer points to it directly, minimizing the tuning time while keeping the access latency constant. 

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Evaluation. A preliminary simulation‐based evaluation of  the proposed algorithm against  the state‐of‐the‐art method [37], shows that DISAIN is a high performance indexing structure; see, for instance, Figure 14.  

 

Figure 14. Impact of number of items on mean tuning time. 

 

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4. Risk Analysis and lessons learned 

Concerning  the  risks  faced by  this  task, we would consider  them along  two dimensions. The first dimension is whether our communications and networking technology are the appropriate ones for REDUCTION; the second dimension is whether the communications hardware will be ready  in  early  enough  time  I order  to  investigate  the V2V, V2I  and  I2V  communication  and networking primitives  that we will develop. As  far as  the  first dimensional  is  concerned, we need  to  emphasize  that  since we  follow  international  standards,  for which  there  is  sufficient documentation  and  experience  not  only  in  the  international  community  but  also  to  the REDUCTION partners (DELPHI and UTH), we feel confident that the risks are practically non‐existing. Concerning the timely development of hardware, we have to admit that this is a tough issue and we may not follow the planned schedule in a strict manner. Nevertheless, we can use established  simulation  tools  such  as  ns3,  OMNET++,  to  test  the  developed  algorithms. Moreover,  the  UTH  team  has  developed  its  one  infrastructure  (a  wireless  testbed)  and communication hardware that will be enhanced in the context of REDUCTION and will be used for  the  REDUCTION  needs. Our wireless  testbed,  namely NITlab  and  communication  box, namely ICARUS node are illustrated in Figure 15. 

 

Figure 15. The NITlab wireless testbed and the ICARUS wireless communications box. 

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5. Conclusion 

In this section, we summarize the decisions that will mostly affect the design and architecture of REDUCTION’s  system,  along  with  some  significant  open  issues  relevant  to  its  overall architecture.  

Wireless communications technology. DSRC technology in the 5.9 GHz band has the potential to  support many  different  types  of  applications,  including  collision  avoidance  applications, traffic  regulation,  passenger  fleet management  that  can  save  tens  of  thousands  of  lives  and billions  of  dollars  in  the  EU.  This  technology  depends  fundamentally  on  standards‐based interoperability,  and  it  is  the  preferred  choice  for  REDUCTION’s  wireless  communication technology, as well as  for many projects completed or currently running  [9]  in EU, USA, and Japan. There is no doubt that this is the wireless technology that should be used. 

Network  architecture.  A  two‐tier  (clustered)  architecture  is  scalable  and  it  achieves  much higher  lookup  success  rates  than  flat  VANET  systems  and  outperforms  single‐tier infrastructure‐based  systems  in  terms of  success  rate,  latency, and maintenance  cost.  It  is  the only  approach  to  address  the  broadcast  storm  problem.  The  open  issues  for  the  two‐tier architecture are  cluster‐head  selection and  redundancy,  stability of  the  clustering mechanism and  fast  re‐clustering  operations. Therefore, we need  to proposed new  clustering  algorithms that will  consider  characteristics  of  the  vehicles  (e.g.,  size,  velocity)  as well  as  the  “social” behavior of their drivers.  

Routing and information dissemination. Backpressure‐type algorithms are the most promising ones for supporting throughput‐optimal packet scheduling/routing for ad hoc communications and can also be used  for V2I communication. However,  they suffer  from delay problems and are centralized. Therefore, the open issues are to develop delay‐aware backpressure algorithms along the lines of [17], and also to transform them into distributed protocols. 

As  long  as  the  I2V  type  of  communication  is  concerned,  even  though  there  is  significant experience in the communications/networking community since cellular, WiMAX and WLANs networks are operating  for years,  there are some  issues, such as  fast access  to  the  transmitted information,  that  need  further  investigation.  Towards  this  direction,  we  will  develop  air indexing schemes to support fast, selective tuning to the broadcast channel. 

Overall, we are confident that the present report has achieved the goals set by task T1.1. 

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