訊息廣播頻率調控機制設計

因為車輛無法成功接收到事故發源車輛所傳送的緊急訊息之機率 (P_dis) 是利用該街道的車輛可能的分布情形來計算的，所以當該街道的車 輛密度改變時，P_dis也會因此而改變。而P_dis的改變也會影響事故發源車輛 的重複傳送次數，以及傳送頻率。因此，為了使本機制可以適用於真實的 市區環境，車流是隨時間產生變化的，本研究提出了一個動態即時調控機 制。此傳送頻率的即時調控機制是利用一種竊聽 (overhearing) 的方式來完 成的。

本研究的廣播機制是採用簡單的泛洪 (flooding) 傳輸方式，即任何收 到傳送者傳來的訊息之接收者，只要是第一次收到此訊息，則會重傳 (rebroadcast) 該訊息給周圍的車輛，否則不會進行重傳，並且會丟棄 (drop) 該訊息封包。所以事故發源車輛可以利用聽取附近周圍車輛的重傳次數，

得知其周圍車輛個數，也就是其傳輸範圍內的車輛密度。因為兩個相鄰之 街道的車輛密度是相似的，因此，可利用事故發源車輛周遭之車輛密度來 推測危險區域中街道的車輛密度，再藉由危險區域之街道的車輛密度推算 出危險區域中車輛無法成功接收到事故發源車輛所傳送的緊急訊息之機 率 (P_dis)，進而計算出所需的重複傳送次數，以及傳送間隔時間。而因為

v T = L

r I = T

(8)

(9)

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重複傳送次數是建立在平均一車經過危險區域之街道時，事故發源車輛所 需重複傳送的次數，讓任一車在經過危險區域之街道時，能至少收到一次 緊急訊息。所以應該以平均一車經過危險區域之街道的時間為單位，動態 調整因車輛密度產生變化，所需不同的重複傳送次數及傳送間隔時間。事 故發源車輛調控廣播頻率之步驟如下：

前置作業：事故發源車輛在廣播訊息後，會等待 100 毫秒 (ms) 來統 計所聽取到的重複傳送次數，即一種竊聽機制，並將重複 傳送次數做為其周遭相鄰的車輛數。

步驟 1. 首先，事故發源車輛會以 1 赫茲 (Hz, 即每秒發送一次訊息) 頻率廣播緊急訊息 5 次，並統計此 5 次的周遭相鄰車輛數，

將總數取平均後，成為實際的相鄰車輛數 (B)。

步驟 2. 以 B 值推算危險區域之街道的車輛數 (n) 為 B R L_street

2 × ，R 為

事故發源車輛的傳輸距離，而將 n 值帶入公式 (4)、(5) 和 (6) 中則可計算出P_dis。

步驟 3. 將P_dis代入公式 (7) 可求出要達到P_target的傳送可靠度所需的 最少重複傳送次數 (r)，再藉由公式 (8)、(9) 則可計算出最 佳的傳送間隔時間 (I)。

步驟4. 事故發源車輛以 I 的傳送間隔，傳送緊急訊息 r 次之後，再將 過去所有統計過的周遭相鄰車輛數取平均值，做為實際的相 鄰車輛數 (B)。

步驟5. 持續重複步驟 2~步驟 4。

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簡單來說，此廣播調控機制在一開始時，事故發源車輛先以 1 Hz 頻率 傳送緊急訊息 5 秒，之後則是相隔 T 秒時間 (平均一車進入危險區域直到 抵達危險街道的這段時間) 調整一次傳送頻率，此傳送頻率是事故發源車 輛以竊聽機制所推算出，要使危險區域之街道中的車輛能達到P_target的傳送 可靠度，所需的訊息傳送頻率。

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第四章

模擬結果與分析

在此章節中，將指出緊急訊息之自適性廣播調控機制確實可以利用自 適性廣播頻率和廣播調控機制，讓所有進入到危險區域之車輛，都可以達 到期望的傳送可靠度，以即時接收緊急訊息而避開危害。並且也確實能適 用於車流狀況時常變化的交通環境，在任何時刻，此緊急訊息廣播頻率皆 可以做最適宜的調整。以下分為三個部份來證實，分別為：

(1) 傳送頻率與可靠度之關係：事故發源車輛以不同頻率進行廣播 時，危險區域中車輛的可靠度變化及影響。

(2) 算式估計與實際模擬之可靠度的關係：算式所估計之可靠度與 實際模擬之可靠度之差別。

(3) 以台北市忠孝橋市高西寧西側為例的模擬結果與分析：以實際 市區中由早上 7 時到晚上 7 時之車流變化來套用本研究所提出 的緊急訊息之自適性廣播調控機制，查看其運作之效能，以及 與一般採用 1 Hz 之廣播頻率的方式，其效能之間的差異分析。

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模擬平台採用的是 NS-2 網路模擬器[34]，版本為 2.33。媒介存取控制 層 (MAC Layer) 是使用適用於車載隨意網路的 802.11p 傳輸協定。

4.1 傳送頻率與可靠度之關係

4.1.1 模擬場景與參數之設定

本研究以一個雙十街道做為模擬的市區環境，事故發源車輛位於正中

央位置，是廣播緊急訊息的來源 (Source)，每一街道皆為 300 公尺，共有 7 個街道，中央之街道為危險街道，其餘外圍 6 個街道為危險區域之街道。

道路為雙線道，且一共有 8 個路口，標示為 I¹~I8。如圖 10 所示。

圖 10. 模擬到路圖

接著介紹模擬的其他參數，如表 2 所示。因為是在市區中的街道，所 以車輛的車速訂為 10~15 公尺/秒 (36~54 公里/小時)，且每輛車子的傳輸 距離皆一樣，為 75 公尺。車輛傳送訊息時採用的路由協定 (Routing Protocol) 為泛洪 (flooding) 的方式，也就是每輛車在第一次收到訊息時，皆會將該

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訊息重傳。模擬的時間為 7500 秒。並比較了不同密度下，傳送頻率對可 靠度的影響。

表 2. 模擬之參數設定

參數 值

傳輸距離 75 公尺

模擬時間 7500 秒

車輛密度 1, 2, 3, 4, 5, 6 車/100 公尺 媒介存取控制層 802.11p

Source 傳送頻率 0.05, 0.066, 0.1, 0.2, 1 Hz (20, 15, 10, 5, 1 秒)

車速 10~15 公尺/秒

地圖大小 1000 公尺 × 750 公尺

4.1.2 模擬結果與分析

如圖 11 中所示，可知，傳送頻率越高則可靠度就越高，反之亦然。而 在密度越低的環境下，傳送頻率對可靠度造成的影響就越大。如圖中密度 為 2 (車/100 公尺) 在頻率 0.05 到 1 (Hz) 時，其可靠度幾乎呈現指數成長，

而密度越高則成長幅度越趨於平緩。

 橫軸為傳送頻率 (Hz)：表示 Source 每秒傳送緊急訊息之次數，

一共分為 5 種來測量。

 縱軸為訊息傳送之可靠度 (Reliability)：表示所有由外圍路口 (I1~I6) 進入之車輛，在抵達中間路口 (I7, I8) 前就能夠收到緊急 訊息的百分比例。

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28

也就是 Source 傳送間隔時間 (I) 為 20、15、10、5 和 1 (秒)；車輛的速度 為 10~15 公尺/秒，則平均車數為 12.5 公尺/秒，也就是平均車輛通過危險 區域之街道 (即車輛由外圍路口到中間路口) 的時間 (T) 為 24 秒。此外，

這裡的街道長度訂為 300 公尺，是我們只需知道外圍危險區域之街道上車 輛是否可以成功街收到該緊急訊息，而且危險街道中會發生交通問題而使 得該街道發生壅塞情形，因此假設 Source 都能將緊急訊息傳送至外圍危險 區域之街道，不考慮由 Source 傳送至外圍危險區域之街道會有失敗的問題。

而 300 公尺所求得的總區塊個數 (m) 為 60。

表 3. 算式估計之參數設定

參數 值

街道長度 300 公尺

總區塊個數(m) 60

街道車輛數(n) 6, 9, 12, 15, 18 (2, 3, 4, 5, 6 車/100 公尺)

最少需要連續無車之區塊個數(d) 15

車道個數(l) 2

Source 傳送間隔時間 (I) 20, 15, 10, 5, 1 秒

車輛平均速度 12.5 公尺/秒

車輛通過危險區域街道之時間(T) 24 秒

4.2.2 算式與模擬之比較結果與分析

由圖 12 可知，利用公式所推測之可靠度，與實際模擬之可靠度是相 當吻合的。除了密度為 2 (車/100 公尺) 在傳送頻率 1 (Hz) 時，算式估計

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的可靠度略高，這裡推測是因為車輛密度太低，大約 50 公尺才有一車，

所以 Source 所傳送的緊急訊息有一定的比例必定無法由危險街道傳送至 危險區域中的街道，所以儘管傳送頻率提高至很高的值 (如：1 Hz)，依舊 無法讓可靠度到達很高的值，此算式主要是利用危險區域中的街道來做計 算，因而受到影響。在其他密度上，算式所估計的可靠度與實際模擬的可 靠度僅有些微差距。因此，本文所提出的自適性廣播調控機制與實際情形 相符，確實可利用本文所提出的車輛分布情形來推測訊息的傳送可靠度，

進而使用重複傳送的方式來提升可靠度，讓可靠度達到預設的程度 —讓 車輛在還未接觸危險前都能即時收到緊急訊息，可提前做準備避開可能發 生的危害。

 下方橫軸為傳送頻率 (Hz)：表示 Source 每秒傳送緊急訊息之次 數，一樣分為 5 種來測量。

 上方橫軸為重複傳送次數 (r)：表示在不同的傳送頻率下，平均 車輛經過危險區域之街道時，Source 會重複傳送緊急訊息的次數，

與傳送頻率一樣共分為 5 種來測量。

 縱軸為訊息傳送之可靠度 (Reliability)：算式估計的可靠度定義是，

在危險區域之街道中的車輛，可以成功接收到緊急訊息的機率，

即公式 (7) 中的P_succ。

 圖中有 5 種不同的密度，並且分為算式估計值 (實線) 與實際模 擬值 (虛線)，來比較兩者在不同的傳送頻率下，其可靠度值是否 有明顯差異。

30

31

0 500 1000 1500 2000

台北市忠孝橋市高西寧西側 100年7月 星期一

28 30 32 34 36 38 40

台北市忠孝橋市高西寧西側 100年7月 星期一

圖 13. 台北市忠孝橋市高西寧西側之不同時刻的流量

圖 14. 台北市忠孝橋市高西寧西側之不同時刻的車速 (資料來源: 台北市交通局網站)

(資料來源: 台北市交通局網站)

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4.3.2 模擬之設定

這裡所模擬的場景與 4.1.1 節中的一樣，是雙十的雙線道街道環境，

每條街道有 300 公尺，在雙十街道正中央有一個事故發源車輛定期廣播緊 急訊息，其所採用的傳輸路由協定為泛洪 (flooding) 的方式。其他的參數 設定如表 4 所示，車輛傳輸距離一樣為 75 公尺；模擬時間為 3000 秒；這 裡的車輛密度是採用 4.3.1 節中以台北市忠孝橋市高西寧西側為例的不同 時刻之車密度 (即圖 15 中所示)；媒介存取控制層一樣為適用於車載隨意 網路的 802.11p 傳輸協定；Source 的傳送頻率在此是利用第三章中 3.3 節 所提出的廣播調控機制來做動態即時調整；車速訂為 10~15 公尺/秒；設 定期望為位於危險區域街道中車輛能成功接收到 Source 所傳來的緊急訊 息的目標機率值 (P_target) 為 85%。

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

台北市忠孝橋市高西寧西側 100年7月 星期一

圖 15. 台北市忠孝橋市高西寧西側之不同時刻的車密度

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表 4. 模擬之參數設定

參數 值

傳輸距離 75 公尺

模擬時間 3000 秒

車輛密度 4.52, 4.77, 4.75, 4.39, 4.05, 3.50, 4.20, 4.77, 5.13, 4.30, 5.19, 3.94 車/100 公尺

媒介存取控制層 802.11p

Source 傳送頻率 動態調整

車速 10~15 公尺/秒

街道長度 300 公尺

車道數 2

成功接收緊急訊息之

目標值(P_target)

85%

地圖大小 1000 公尺 × 750 公尺

4.3.3 模擬之結果與分析

在本節中將利用實際的台北市忠孝橋之車流數據來驗證自適性廣播 調控機制是否實用，及其展現出來的效能是否能達到預期。將不同時刻的 車輛密度依序代入模擬中來做測試，而事故發源車輛 (Source) 即利用第三

在本節中將利用實際的台北市忠孝橋之車流數據來驗證自適性廣播 調控機制是否實用，及其展現出來的效能是否能達到預期。將不同時刻的 車輛密度依序代入模擬中來做測試，而事故發源車輛 (Source) 即利用第三