第一章 緒論
1.1 前言
近年，隨著無線網路技術的成熟及各國政府的大力推廣，加上無線網路使用上的便利性，
使得無線網路受到大眾普遍的認同及熱烈的歡迎，時至今日無線網路已成為人們生活中重要且 不可或缺的一項科技產品。人們只須在無線存取點 (Access Point， AP)的涵蓋範圍內，就可 以透過智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦或任何無線終端設備輕易的連上網際網路(internet)。
目前無線網際網路的存取技術分成兩種存取類型：有基礎設施通訊模式 (infrastructure mode)，
如圖 1-1 所示及無基礎設施點對點通訊模式 (ad-hoc mode)，如圖 1-2 所示。在 infrastructure mode 中，所有的無線終端設備都必須透過無線存取點來存取無線網際網路的資源；在 ad-hoc mode 中，不需要透過無線存取點連上網際網路，而是透過多個無線終端設備自組成一個無線網路，
來達到資源共享的目的。
目前較大眾熟知的無線網路技術 IEEE 802.11 [1] (a)(b)(g)(n)，所使用的領域相當普及，諸 如家庭、公司企業、咖啡廳、機場等公共場所中，都可以發現無線網路的存在。因此，無線網 路的相關應用及技術，非常值得我們深入的探討及研究；在無線網際網路相關的應用中，如無
圖 1-2：Infrastructure Mode 圖 1-1：Ad-hoc Mode
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線上網方式、瀏覽網頁、查詢資訊，都可以不必使用網路線就可以方便上網瀏覽網頁；而另一 種動態的無線網路應用，則是可讓使用者在移動的過程中，又可同時能透過無線網路連接網際 網路，由於在移動的情況下連接網際網路，網路拓樸容易受到環境因素的影響，造成網路連線 斷斷續續、連線速度緩慢、頻寬壅塞的問題；另一種大型的無線網路稱為車載無線網路，在車 載無線網路中，所有車輛將會裝配無線通訊設備，車輛與車輛之間會透過這些無線通訊設備相 互溝通，交換彼此所需的資訊或資源。藉由車載無線網路，可讓車輛與車輛之間交換更多有價 值的資訊，這將可使智慧型運輸系統(Intelligent Transportation System，ITS [2])、駕駛及乘客獲 得更可靠、完善的道路資訊，確保行車效率及用路人安全。
在車載無線網路環境中，由於節點的移動性高，造成網路拓樸會快速改變，因為這個原因 導致目前舊有的 IEEE 802.11 標準不適用於車載無線網路，為了解決這些問題，因而衍生出 IEEE 802.11p [3][4]。IEEE 802.11p 是由舊有的 IEEE 802.11 標準調整並修改而來的，目的是為 了更適用於車載無線網路中。車載無線網路除了底層的 IEEE 802.11p，上層還包括 IEEE 1609 系列[5][6][7][8]，我們將之稱為 Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) standards。
因此，WAVE network 也是車載無線網路的通稱。
目前車載無線網路主要有兩種應用：非安全性的應用及安全性的應用[9]；非安全性的應 用主要是利用車載無線網路的能力，提供商業性服務給駕駛及乘客，讓車輛與車輛之間傳輸非 安全性相關的資料，諸如舒適及娛樂的應用服務(例如：網頁瀏覽、電子郵件、地理資訊及多 媒體應用)；另一種應用為安全性的應用，主要是利用車載無線網路的能力，使在路上的車輛 能夠散播警告訊息告知目前道路上所發生的危急情況(如：車輛碰撞、道路施工、落石警告、
濃霧警告、障礙物警告)，這可以藉由來源車輛散播警告訊息告知鄰近的車輛，並且協助駕駛 人或車輛提前做出適當反應(閃避、變換車道、減速、開起霧燈)，減少意外事故發生的機率，
這不僅能夠減低駕駛人或乘客傷亡的情況發生，還能降低財產損失。
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就一般的情況而言，行駛在高速公路的車輛平均車速約為每小時 100 公里左右，當前方車 輛發生事故時，後方車輛的駕駛在時速約為每小時 100 公里的情況下，駕駛的反應時間(駕駛 發現前方事故到踩下煞車的時間)大約為 0.75 到 1.5 秒左右 [10]。因此，若要避免車輛追撞事 故發生，當事故發生時，危險車輛必須立即廣播警告訊息，而警告訊息必須立即送到被影響的 車輛中，告知駕駛前方的危急情況，以爭取更多時間讓駕駛或車輛能夠有更長的時間做出適當 反應(如：煞車、閃避、變換車道)，由此可知，如何減少警告訊息的傳輸延遲是一個重要的議 題。另外，散播大量的警告訊息將會導致警告訊息多餘的廣播，更嚴重的情況下，可能導致廣 播風暴的問題(broadcast storm problem [11])，廣播風暴將會造成訊息碰撞，導致訊息傳輸延遲 拉長，更差的情況是導致訊息遺失。廣播風暴不僅浪費大量的無線網路資源並且降低訊息傳輸 效率。因此，在車載無線網路中，避免警告訊息多餘的廣播也是另一個重要的議題。
1.2 研究動機與目的
車載無線網路中的安全性相關的應用，主要是為了提高駕駛及乘客在道路上的安全，保護 駕駛、乘客生命安全以及避免財產損失。一般的做法是藉由警告訊息系統散播警告訊息通知後 方車輛關於道路所發生的危急情況，藉以增加駕駛對道路上危急情況的反應時間，避免發生另 一起意外事故。
一般來說，在車載無線網路中主要是利用廣播的方式來散播警告訊息，告知駕駛人立即做 出適當反應。在利用廣播的方式散播警告訊息時，若沒有使用任何機制來抑制警告訊息散播的 數量，可能會導致警告訊息多餘廣播的問題，更嚴重可能造成廣播風暴[11]的問題 ，這不僅 會導致警告訊息多餘廣播，造成無線網路資源浪費，還可能導致警告訊息傳輸時間過長，造成 訊息的新鮮度下降，因而無法提供駕駛即時的安全資訊。
基於上述的問題，我們提出了 Fault-Tolerant Broadcast Protocol，它能藉由在來源車輛的傳
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輸範圍內挑選出兩個候選車輛，來避免 ACK message 遺失；若 ACK message 遺失，將會造成 ACK message 多餘廣播的問題，並且降低警告訊息系統的可靠度。另外，由於 Fault-Tolerant Broadcast Protocol，在挑選候選人的過程中，危險車輛與 relay vehicle 為了取得鄰居車輛的位 置資訊，必須讓所有鄰居車輛重新廣播 alert message，這將會造成 alert message 多餘廣播的問 題，並可能拉長 alert message 的傳輸延遲時間；因此，我們也針對了這個問題，提出了 Farthest Node First Protocol，藉由距離來計算所有鄰居車輛重新廣播 alert message 的 back-off time，避 免過多的車輛重新廣播 alert message，減少 alert message 多餘廣播的問題，並減少 alert message 的傳輸延遲時間。另外，為了解決 alert message 多餘廣播的問題，我們也提出了 Exponential Back-off Method，它能藉由危險事故的緊急程度降低，來拉長 alert message 的廣播週期，避免 散播大量的警告訊息，降低廣播風暴發生的可能性，提高警告訊息系統的可靠度。
1.3 論文架構
本論文共分為六個章節，論文的安排組織及章節簡介如下：在第二章中，我們將會簡略的 介紹車載無線網路相關知識及目前的研究情況。此外，我們也網羅了許多在車載無線網路中警 告訊息廣播機制的相關研究，並詳細介紹其觀念與作法；第三章將會詳述本論文所提出之 Fault-Tolerant Broadcast Protocol、Farthest Node First Protocol 及 Exponential Back-off Method；
第四章中，我們將會描述 NS2 中 Fault-Tolerant Broadcast Protocol 及 Farthest Node First Protocol 之實作；在第五章中，將會先介紹我們所使用的 NS2 網路模擬軟體，並說明實驗環境與相關 參數設定。最後，我們將會說明本論文的模擬結果與分析比較；第六章將總結本論文，並探討 其未來值得深入研究的議題。
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