論文架構

本篇論文分為五個章節，各章節介紹如下：第二章會先描述目前車載網路的 發展、研究議題和挑戰，並介紹 QoS 相關文獻和相關路由協定的評述。第三章 將詳述本論文所提出的可應變式接手節點挑選機制，包含鏈結存活時間的評估以 及頻寬的評估方式，最後是將上述兩種評估方式透過權重係數調整並加總求得權 重值，依不同移動模型及資料傳輸類型挑選出最佳的接手節點。第四章則是會對 權重係數的挑選作一系列的評估，以獲得最佳的權重係數。接著將依照不同移動 模型及 QoS 類型，使用不同權重係數進行路由協定效能分析與說明，以證明本 論文所提出之路由協定對網路效能的影響，能依照不同應用服務類型，選擇最適 當的接手節點。最後第五章為本篇論文結論。

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第二章 相關研究

2.1 VANET

隨著無線網路的快速發展及行動裝置的普及化，網路應用已成為生活中不可 或缺的角色。人們也希望在行車時能使用網路的服務，讓資訊的取得更即時與方 便。因此，VANET 的研究議題在近年變得相當熱門。目前用於車載網路的技術 包含 2001 年美國聯邦通訊委員會(FCC)所提出的 DSRC(Dedicated Short-Range Communication)技術[1][2]，以及在 2004 年，由 IEEE802.11 Working Group 製訂 的標準 802.11p[3]，又稱為 WAVE(Wireless Access in the Vehicular Environment) 其可應用於道路危險警示、碰撞警示、行車安全等。

2.1.1 VANET 研究議題與挑戰

目前在車輛間通訊(IVC)有幾個重要的研究議題，包括[2]：

 車間通訊兼顧服務品質的連線模式

 設計良善的路由方式

 可靠且穩固的網路存取(Network Access)

 安全性與個人隱私問題等

其中，設計良好的路由協定(Routing Protocol)能決定是否有效率的在車輛間 傳遞封包，且在 VANET 環境下車輛高速移動所造成的影響將會是設計路由時重 要的考慮因素。[1][2]中有許多針對 MANET 所提出的路由設計，但使用在 MANET 所延伸出的 VANET 上，卻因節點高速移動、網路拓樸迅速改變等特性 造成效能低落[4]。此外本文將 VANET 中的應用服務概分為兩類，包括：

 具即時性(Real Time)的應用服務：如前方有車輛發生事故，必頇立即傳送緊 急訊息給後方車輛，才能避免發生車禍。

 不具即時性(Non-Real Time)的應用服務：如使用者可以透過車載網路，獲取 停車位資訊和商店資訊。

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然而，前者傳遞的資訊希望傳送給後方的車輛越快越好，過期的封包不但是 無用的資訊而且也來不及阻止意外的發生；後者傳遞的資訊較不具迫切性，使用 者可以容忍延遲，雖然可能需要傳送大量圖片而需要較大的頻寬，但是因為不具 即時性，封包可以先暫存起來，待網路條件允許再傳送出去。因此，若能適當挑 選資料傳遞的路徑，並依據不同應用服務提供具有服務品質(Quality of Service；

QoS)的連線，將能使 VANET 應用服務更加完善。

2.2 QoS in VANET

在車載網路中提供服務品質保證(QoS)的相關研究有[5][6][7][8]。其中，

Gvgrid[5]是使用電子地圖輔助選擇最穩定的路徑，該方法是針對車輛節點密度高 的都市環境所設計，並利用電子地圖將街道分成數個區塊，因此在挑選 Next-Hop 時，會對區塊內的所有鄰居節點進行廣播，但無法依據來源節點的傳輸應用服務 類型挑選到最佳接手節點。

文獻[6]討論在多重跳躍路徑(Multi-Hop)的車載環境中，使用 IEEE 802.11p 和 DSRC 的通訊技術，對於各種不同應用服務的連線服務品質進行效能分析。

可知不同的應用服務，QoS 需求也相對不同，因此該研究針對不同的頻寬建立不 同類型的連線服務，提出可以適應不同型態提供服務品質的多重路徑協定 (Adaptive QoS Routing Protocol over VANET；AQVA)，以提供在高速移動車輛中 有效存取影像視訊串流服務並提供具有服務品質最佳化的路徑。

在文獻[6][7][9]中認為在車載環境下，多媒體影音資料傳送對於可靠度和時 間延遲較一般服務嚴格。其中，DeReQ[7]的方法不只可以找到可靠的路徑更能 找到符合延遲需求的路徑。

文獻[7][10]皆考慮道路車輛密度(Road Density)、車輛相對速度，因此得到鏈 結可靠度模型(Link Reliability Model)：ρsd(Tsd,λ)。再透過鏈結可靠度模型推算兩 車間最後剩餘通訊時間 Tsd。LRA 表示兩車傳輸距離，VRS 表示移動速度，因此 剩餘通訊時間可以表示為：Tsd=LRA/VRS。最後並認為鏈結可靠度(Link Reliability)

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的重要性比鏈結延遲(Link Delay)和 Hop 數要高，因此先求出最大鏈結可靠度後，

後續將再加入延遲時間與 Hop 數限制的考慮，來做為找尋符合 QoS 等級的路徑。

文獻[8]則是探討 Beacon 安全性訊息如何在壅塞的車載環境中進行傳播。由 實驗的角度依據不同 QoS 的評量標準[9]，如封包到達率、延遲時間等因素作為 實驗參數，並認為影響這些參數的因子有傳輸範圍、訊息傳輸區間以及封包負載 大小(Packet Payload Size)。此外也加入可靠度和公帄性的考量，提高封包到達率 和降低延遲時間，藉由增加傳輸範圍和減少封包負載大小(Packet Payload Size) 可以幫助減低通道的負擔，以達到更佳的 QoS 等級。

2.3 QoS-Aware

一般在 MANET 的環境中討論 QoS 改善效能的重要性可以分為[11]：

 服務等級指標(Service-Level Metric)[12]：包含延遲時間、Jitter 和生產量。因 為使用者最在意資料傳送的回應時間和準確度，所以降低延遲時間、提高生 產量，其次提供穩定的資料傳輸會是重要的考量。

 資源相關指標(Resource-Related Metrics)[13]：針對行動裝置上的資源使用情 況討論 QoS 等級，可從 CPU Load、記憶體、頻寬及電力限制討論。

文獻[13]中為了滿足即時性應用與 QoS 的要求，路由協定會利用資源管理 [14]、動態排程[15]、依速度推斷和多路徑搜尋等技術來達成 QoS 的需求。其中 文獻[13]提出的即時性應用且具服務品質的單點傳播路由協定(Real-Time Unicast Mobile Ad-hoc Network；RUMAN)，是結合主動式和以位置為基礎(Location-Based) 的技術，節點之間會透過週期性廣播來交換節點資訊，藉由移動向量狀態資訊如 節點位置、移動速度和可配置的資源，以推斷鄰近節點目前狀態。為了隨時取得 鄰居節點的最新狀態資訊，會藉由多路徑偵測找尋最有效的路徑，並限制封包傳 送最多跳 2-Hop，避免廣播風暴問題。

在 車 載 環 境 為 擁 有 最 佳 的 服 務 品 質 ， 服 務 找 尋 協 定 (Service Discovery Protocol)在[16]被學者所提出，主要是希望提供 QoS 等級的服務。提出的協定首

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先是找出合適車輛，保證服務供應者與服務請求者之間達到負載帄衡；其次，保 證服務供應者與服務請求者之間發生較低程度的壅塞情況，因此路邊基地台會被 考慮協助負載帄衡條件，最後透過 QoS-Aware 尋找協定找出一條路徑以滿足使 用者需求。

在車間通訊(Inter-Vehicle Communication；IVC)建立具有 QoS-Aware 路由機 制的路徑，[17]則是藉由加入路邊基地台的輔助以達到目標。並認為透過路由建 立(Route Construction)和避免壅塞(Congestion Avoidance)機制，可以防止 VANET 環境網路拓樸快速改變和壅塞所造成的鏈結斷裂情況。透過快速學習類神經網路 (Fast Learning Neural Networks；FLNNs)模式，作為鏈結斷裂和壅塞的指標，並 將該資訊夾帶於資料封包中透過週期性廣播傳送給鄰居節點或是路邊基地台。路 邊基地台另負責頻寬消耗評估，以避免因為換手造成的封包大量遺失。

2.4 Adaptive QoS

文獻[18]提出針對 QoS 適應性路邊基地台輔助路由機制，透過基地台資源預 測機制以有效分配基地台的資源。基地台路由演算法不僅讓鄰近基地台之間能共 享訊息，還負責將路段藉由基地台擁有的資源使用情況分成數個區段。當車間通 訊不會壅塞或所需頻寬較小時，車輛進入區段會直接與目前區段內的車輛之間傳 送資料封包請求；若需要較穩定的路徑，則會直接透過基地台尋找路徑。

為了防止鏈結錯誤或壅塞情況發生，[18]使用粒子群最佳化(Particle Swarm Optimization-Tuned)模糊邏輯系統，主要是調整方法中的帄均值和變異數。方法 中除了考慮兩車彼此距離及目前車速、位置，還提出壅塞指標參數，包括佇列長 度(Queue Length)、預期封包所需跳躍數及預期下段時間車輛數目。路邊基地台 負責頻寬消耗預測，其影響參數有目前車輛進入區段的頻寬、停在目前路段的車 輛頻寬及下段時間離開的車輛頻寬。

CHAMELEON[19]則是針對在 MANET 中多媒體資料傳輸改善延遲和 Jitter 的混合式路由協定。該方法是由網路節點數來決定採用主動式或被動式路由協定，

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實驗結果顯示 CHAMELEON 的方法在網路節點數為 10 個以內除了有較低的 Jitter 外，也有較低的延遲時間；當節點數大於 10 個，雖然延遲時間比 AODV 略大，但 Jitter 還是呈現較低的結果。因此針對網路節點數較多情況下，

CHAMELEON 亦能改善 QoS 多媒體資料傳輸的效能。

2.5 Link Lifetime

文獻[20]針對 MANET，提出鏈結終止時間(Link Expiration Time)的評估方 式，以找出鏈結存活時間最長的路徑，並以此方法和最短路徑演算法做比較。

[21] 提 出 用 於 VANET 環 境 ， 以 移 動 性 預 測 為 基 礎 的 路 由 (Movement Prediction-Based Routing；MOPR)觀念，作為挑選最穩定路由的機制。MOPR 是 考慮車輛的方向與移動速度，計算相鄰車輛的鏈結穩定度(Link Stability；LS)後，

挑選 LS 較大的鄰居節點，作為下一個傳送資料的對象，該研究認為相鄰車輛透 過這種方式將具有相對穩定的路徑。其中，假設節點 i 和節點 j 分別從目前位置 (Xi0,Yi0)、(Xj0,Yj0)隨著時間 Δt，分別以 Vxi及 Vxj移動到新位置(Xi1,Yi1)、(Xj1,Yj1)，

得到以下兩節點的距離公式[21]

D12

=(( Xi0+VxiΔt)-( Xj0+VxjΔt))²+(( Yi0+VyiΔt)-( Yj0+VyjΔt))² (2.1)

隨著時間 Δt 經過，可以計算相鄰兩節點的 Link Lifetime[i,j]，並推導 LS 值[21]

為

LS[i,j]=

(2.2)

此外在文獻[22]提及，為了確保路徑有最長路徑存活時間，主要建議挑選具 有最低延遲時間的路徑。Silent Alarm[22]提出的方法其環境初始條件和假設如 下：在筆直的高速公路且交通流量是無壅塞的情況，車輛皆安裝 GPS 衛星定位

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系統，可以知道自身的移動方向、速度等位置資訊。並在高速公路旁架設存取點 (Access Point；AP)，其可能作為資料封包傳送的目的地。

假設來源節點有多條不同的連線路徑可以選擇，挑選路徑的方法是透過預測 路徑存活時間及封包資料傳送延遲時間來判斷。中繼節點預測延遲時間的方法為，

假設來源節點有多條不同的連線路徑可以選擇，挑選路徑的方法是透過預測 路徑存活時間及封包資料傳送延遲時間來判斷。中繼節點預測延遲時間的方法為，