第二章 相關研究
2.3 跨層式(Cross-Layer)設計
國
立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
(V2I)，也無法在車輛高速移動時給予任何頻寬的保證。所以在 VANET 的 QoS 目標通 常是盡可能讓封包傳遞的路徑能最穩定，也是路徑能維持最長的時間，或者在環境許可 情況下，能在一定的時限內再恢復連結路徑。作者分析了四種繞徑協定：MURU、GVGrid、
PBR 與 DeReQ，這些方法分別使用車輛的位置、速度、移動模式、連線的延遲時間和 可靠度，甚或一些交通號誌及路邊設施來幫助封包選擇最穩定的路徑，以提升封包傳遞 的效能。作者也以不同特徵，來分類及描述四個方法的差異，像是目標，設計使用的原 理差異以及系統需求等，透過這樣的研究讓我們可以瞭解這些方法對於改善效能所採取 的策略有那些。然而，由於各個方法的研究彼此都是獨立的，我們很難了解若是站在一 個相同的評估環境中(諸如相同的道路拓樸，相同的車輛移動模型，相同的無線傳播模 型等)，這些策略或方法在效能上的差異為何。
透過這些相關研究，可以幫助我們對於幾種較為通用的繞徑協定，進一步了解其特 性與效能之間的關係，讓我們在面對不同繞徑方法做最佳路徑的選擇時，能提供一些思 考的方向，例如在節點密集的環境中，position-based 的效能較佳，而 topology-based 的 繞徑方法則容易受到廣播風暴的影像而降低效能。
2.3 跨層式(Cross-Layer)設計
一般傳統網路的分層式(layer)架構設計，雖然能讓網路系統保持彈性，對於系統的 擴充性也有許多好處，但在 VANET 網路環境中，往往由於節點移動或群聚，造成實體 層的連接變動而發生傳輸錯誤，或是在 MAC 層發生碰撞而壅塞延遲，而這些錯誤因為 分層的結果，導致上層的模組往往必須要等到逾時(timeout)之後，才能認知到底層錯誤 的發生。有鑒於此，許多學者便嘗試以跨層式的方式，來解決分層所造成的效率問題。
例如，在[22] Singh 等人所提出來的 Signal-strength-assessment Based Route Selection for OLSR (SBRS-OLSR)，便是利用實體層的訊號強弱和網路層交互運作，來改善以 link-state
‧
SBRS-OLSR 收集每個相鄰節點過去一段時間內的訊噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)資 料，並以公式(2.1)算出 SNR 的平均變化量。
Chen 等人提出的 Cross-layer Ad-hoc On-demand Multipath Distance Vector with Retransmission Counts Metric (R-AOMDV) [6]，則是以 MAC 層和網路層來改善繞徑的問 題。此方法是以 AOMDV 為基礎，利用封包廣播來搜尋多重路徑，有別於 AODV 的單 一路徑，多重路徑可以在目前的路徑失效時，選擇另外一條路來傳遞封包。但如果選擇
‧
MAX_MAXRETRAN(K)則分別為路徑中最大的 hop count 及最大的 retransmission count。在所有 K 個路徑所計算出量值最小的路徑，即為最佳路徑。簡單來說，這篇研例如，將 MAC 層的 retransmission count 提供給 network layer 做為選徑的考量就是屬於 這一類的方法。在本研究當中，我們也將採取這類的方式來設計架構。(b)類則是將兩個 相鄰的階層合併，以更有效率的方法來設計新的合併層。有別於以新的介面來設計，例 如[9]的 Cabernate 方法，作者為了解決車輛在行進間與路邊的 OpenWiFi 設施通訊的問 題，提供了一套 transport protocol，整合了第二與第三層的網路協定，藉由區隔有線與 無線通訊的壅塞問題，來達到加速 wireless 傳輸速率的目的。(c)類則是根據某個階層的
‧
國立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
功能改變來設計另一個相關階層的功能，被參考的階層稱為 fixed layer，而被設計的階 層 designed layer 則直接根據被參考階層的特性變化來調整。例如，如果一個新的 PHY layer 被研究出來，具有同時接收來自不同節點的封包，那 MAC layer 勢必也需要因應 PHY layer 而做調整。又如在[14]中的 PROMPT 方法，利用路邊的 base-station，以及車 輛所在道路的位置，來取代以 topology-based 的繞徑方式，並依此繞徑方式來調整最佳 轉送節點的 MAC contention time，藉此提升資料傳遞的效能。(d)類則是以垂直整合的方 式來調整多層的功能，通常以考量不同應用的需求，向下控制各層的參數，以達成需求 目標。例如在[19]中提出的 DeReHQ 方法，就是參考第二層連線的可靠度、點對點的傳 輸延遲和 hop 數量，也同時考量不同的應用層需求，以及節點所在的交通狀況(車輛密 度，速度及距離)，來決定封包傳遞最佳化路徑的策略。
從[13]的探討中，我們也了解以跨層式來設計網路的節點，最好以需求導向來設計，
避免不必要階層之間的功能相依造成系統的不穩定，另外以真實環境來考量移動的模式 以及跨層式設計的標準化等等都是應該注意的問題。
圖 2.3 跨層式設計的各類方式。
‧
國立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
第三章 研究方法
無線移動隨意網路的節點，透過繞徑協定交換資訊來計算資料封包傳遞的路徑(path)。
隨著節點位置的移動，資料的傳遞必須藉由各節點，來維護這些路徑。從上一章的相關 研究當中，我們知道在 VANET 上由於節點的特殊移動方式，使得一些繞徑協定在計算 路徑及路徑維護的效率降低。一般而言，我們若是將造成繞徑功能效能降低的移動方式 (如交叉路口的群聚特徵或高速公路對向行駛的車輛等)一一列舉並根據這些移動特性來 改良繞徑的方法，理論上我們可以得到一個能適用於各種道路環境的繞徑方法。也就是 說，當某一車輛在道路行駛時，無論該車輛在市區街道行駛或是在郊區的公路，或是交 通尖峰時段或離峰時段，該車輛與其他車輛做資料傳輸時，該繞徑方法都能有效克服因 網路環境而造成繞徑效能降低的因素。但我們認為，設計這樣的一個繞徑協定並不容易，
而且所有的節點都必須同時採用該協定，才能夠達到預期的效率，顯然在實務上也不太 可行。因此，我們嘗試提出一個架構，讓所有的 VANET 節點能夠同時支援多個不同的 繞徑協定，並讓支援的繞徑協定能同時為節點提供資料傳輸的路徑，讓封包在傳遞時能 有機會在數個繞徑協定所提供的路徑當中，選擇一個較佳的路徑來傳遞，藉此克服車輛 因移動而須面對環境變化，造成繞徑效能降低的各種不確定因素。
3.1 基本構想
把不同的繞徑方法，整合到 VANET 上的無線節點，讓轉送包封的過程中，能有更 多的路徑來選擇，以滿足不同應用的需求。為了要實現這樣的構想，我們從下面幾個問
‧
國立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
題著手。首先要面對的是，如何在同個網路中讓多個繞徑協定同時運作? 第二，當資料 封包被轉送時要根據哪種繞徑方法選擇下一個 hop，才會是較佳的路徑? 第三，當多個 繞徑協定同時運作時，大量增加的廣播繞徑封包，要如何來避免，才不致造成對網路效 能降低的影響? 為了解決這三個問題，我們分別提出三種概念，來建構我們提出的方法。
分別是：
多重繞徑協定路徑平面(Multiple routing-path planes)。
基於跨層式設計的路徑選擇(Path selection based on cross-layer design)。
廣播封包的整合管理(Broadcast packet integration)。
同時，我們也會對實現這些概念的系統架構，設計實作上的相關問題加以探討，才 能將個別的繞徑方法模組化，整合到系統中來運作。以下我們就分別來說明這些構想。
3.2 多重繞徑協定路徑平面(Multiple Routing-Path Planes)
一般的繞徑方法，藉由繞徑協定，在各節點交換資訊，以建構一條從資料來源節點 到目的節點之間的資料封包傳送路徑，有部份繞徑協定在封包傳送前就必須先決定此路 徑(如一般 topology-based 的繞徑協定)，而另一部分的繞徑協定則是在傳遞過程中才逐 步找出路徑來(如一般的 position-based 的繞徑協定)，不論是傳送前決定或傳送過程中才 決定，封包最終被傳遞所經過的路徑，就代表該繞徑協定的成果。在任何時候，我們可 以把各個繞徑協定決定出來的封包傳遞路徑，分別描繪在不同的假想平面上，這些平面 便可以稱為“繞徑協定路徑平面”。如果能讓各繞徑協定模組，同時在各節點間交換資訊，
決定出數個不同的路徑，就好比在各自的平面上描繪路徑，並將這些平面重疊，在來源 與目的節點之間，呈現出多重路徑的結果，如圖 3.1。各平面由節點與路徑經過的連線 構成該繞徑協定的路徑圖。
‧
國立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
圖 3.1 多重繞徑協定平面示意圖。
觀察這些繞徑協定平面重疊後所呈現的多重路徑，一方面，每一條路徑代表繞徑協 定的運算成果，路徑傳遞封包的效率越好，就代表節點之間越適合以該繞徑協定來傳遞 資料封包。另一方面，根據[2]不同車用道路環境中，繞徑協定所呈現的網路效能也不同，
表示在不同環境中，傳遞封包效率最好的路徑，非常可能並非皆由某個單一的繞節協定 所提供，這意味著節點可以隨時依環境變化(例如車輛從高速公路駛入市區街道)，以比 較各繞徑協定所尋找出來路徑效能的優劣，進而選擇最適合傳遞封包的繞徑方法(或繞 徑模組)，提升網路傳輸效能。此外，這些多重路徑之間，也可能存在路徑交會的節點，
在資料封包轉送的過程中，經過這些點時，也表示能以別種繞徑方法所提供的路徑繼續 傳遞封包到目的端。這樣的抽象觀念，可用來理解如何將不同的繞徑方法應用在 VANET 上，想像這些平面上的路徑圖，隨著車輛節點行駛的環境隨時變動，各節點如何利用多 重路徑來傳遞資料封包。
source
node
destination node
car nodes
Paths mapping of the routing protocol 2
Paths mapping of the routing protocol 1
‧
國立 政 治 大 學
‧
Na tiona
l Ch engchi University
3.3 基於跨層式設計的多重路徑選擇(Multi-path Selection based on Cross-Layer Design)
利用更多的繞徑協定來尋找路徑，以增加資料封包成功傳遞的機會，主要是基於以 下兩個前提：
讓資料封包能在數個可能的路徑中，選擇較佳的路徑來傳遞。
提供資料封包的備援路徑。
提供資料封包的備援路徑。