在車載網路上以跨層設計混合式繞徑協定的架構 - 政大學術集成

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(1)國立政治大學資訊科學系 Department of Computer Science National Chengchi University 碩士論文 Master’s Thesis. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 在車載網路上以跨層設計混合式繞徑協定的架構. n. er. io. sit. y. Nat. A Hybrid Architecture of Routing Protocol for VANET with Cross-Layer Design al iv Ch. n engchi U. 研究生：楊長葵指導教授：張宏慶. 中華民國一百年七月 July, 2011.

(2) 在車載網路上以跨層設計混合式繞徑協定的架構 A Hybrid Architecture of Routing Protocols for VANET with Cross-Layer Design. 研究生：楊長葵. Student：Chang-Kwei Yang. 指導教授：張宏慶. Advisor：Hung-Chin Jang. ‧. ‧ 國. 學. 國立政治大學資訊科學系政治大立碩士論文. n. er. io. sit. y. Nat. al. v. ni A e n Thesis gchi U submitted to Department of Computer Science National Chengchi University in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science. Ch. 中華民國一百年七月 July, 2011.

(3) 國立政治大學研究所碩士班論文口試委員會審定書. 本校. 資訊科學系. 楊長葵. 同學. 所提論文在車載網路上以跨層設計混合式繞徑協定的架構 A Hybrid Architecture 政 of治Routing Protocols for VANET with 大. 立. ‧. ‧ 國. 學. Cross-Layer Design. Nat. n. al. er. io. sit. y. 合於碩士資格水準、業經本委員會評審認可。. 口試委員：. Ch. n engchi U. iv. 指導教授：. 系主任：. 教授中華民國一百年七月二十七日.

(4) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iv.

(5) 在車載網路上以跨層設計混合式繞徑協定的架構. 摘要. 在車載隨意網路中，由於道路環境的多樣性，使得如何解決資料封包繞徑問題成為相關領域中的一項挑戰。雖然各種新的方法相繼被提出，然而對於在不同環境中如何選擇最佳方法的相關問題，卻缺乏較廣泛的研究及實證。有鑑於此，有別於單一改良型的繞徑方法，我們提出一個整合式的架政治大立. ‧ 國. 學. 構來解決面對不同環境時的繞徑問題，以整合多重繞徑方法於單一系統中。 ‧. Nat. al. er. io. sit. y. 我們並以跨層式方法設計繞徑模組的選用模式，再配合廣播封包整合的機 n. v ni i U e h n c g 制等三種策略方法，讓車輛在不同的道路環境下，能在多個繞徑方法提供 Ch. 的路徑當中，選擇最佳的路徑來傳遞封包，並藉由取得其他網路階層的相關資訊，作為最佳化選擇的依據。同時，封包若在傳遞過程中，原來的路徑發生中斷時，系統能改以其他繞徑方法繼續傳遞封包至目的節點，減少來源端封包重傳的需求。最後為了減輕因數個繞徑方法同時進行所可能產生的廣播風暴問題，我們以封包列車的方式來整合廣播封包。從模擬實驗結果證明，本系統能在不同的道路車輛環境及車輛分布密度，提升資料的傳輸率，克服因節點位置快速變動而導致傳輸率下降的問題。. i.

(6) A Hybrid Architecture of Routing Protocols for VANET with Cross-Layer Design Abstract. Design of data routing between vehicle and vehicle (V2V) is a critical issue for VANET due to dynamics of traffic road environment. Therefore, there are some proposed solutions to cope with such problem in the past years. It is difficult, however, to choose a best approach from those solutions for a car node that 政治大. could communicate by wireless立under all kinds of rigid environment. In this ‧ 國. 學. ‧. paper, instead of designing new routing method, we proposed an architecture to er. io. sit. y. Nat. cope with the problem. We use three building blocks to construct our n. al i v protocols, path selection by methodology: combination of multiple routing Ch Un engchi. cross-layer design and integration of broadcast routing packets. A car node may find more paths provided by the multiple routing modules for delivering packets to the destination. By using cross-layer design we demonstrate how to determine one from the routing modules that can provide the best path for packet according to information collected from the other network layers. Besides, a recovery of forwarding can be performed by this architecture while a broken path occurs during the packet delivering. Finally, we proposed a packet train idea to solve the broadcast storm which could be incurred by the multiple routing protocols operating at the same time. The experiment results show that our proposed architecture can raise the data throughput under different mobility environments of VANET. ii.

(7) 致謝辭感謝我的指導教授張宏慶老師，除了在課堂上得到許多豐富寶貴的知識以外，也讓我體會到他在研究上嚴謹的要求以及耐心的指導，使得在這些年的學習過程中，不但充分滿足了求知慾，也更加了解獲得知識的方法及態度。. 也感謝幾位擔任口試委員的老師，陳裕賢教授、張志勇教授以及馮輝文教授所給予的指導，讓我能夠順利完成論文。另外感謝多位 MCCLab3 同學的幫忙，以及已經畢業的學長及同學在經驗上的分享及協助。. ‧. ‧ 國. 學. 最後要特別感謝我內人，在這段過程中給予我支持與忍耐，至終讓我完成了願望，政治大立願將這份成就獻給她。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iii. iv.

(8) 目錄第一章緒論 ................................................................................................................................... 1 1.1 背景 ......................................................................................................................... 1 1.2 研究動機 ................................................................................................................. 4 1.3 論文架構 ................................................................................................................. 5 第二章相關研究 ........................................................................................................................... 6 2.1 移動模型 ................................................................................................................. 6 2.2 VANET 上繞徑協定的效能研究 .......................................................................... 10 2.3 跨層式(Cross-Layer)設計 ...................................................................................... 12. ‧ 國. 學. 第三章研究方法 ......................................................................................................................... 16 政治大立 3.1 基本構想 ............................................................................................................... 16. ‧. 3.2 多重繞徑協定路徑平面(Multiple Routing-Path Planes) ........................................ 17 y. Nat. sit. er. io. 3.3 基於跨層式設計的多重路徑選擇(Multi-path Selection based on Cross-Layer n. al. ni. v. Ch engchi U Design) ........................................................................................................................ 19. 3.3.1 資料封包的處理 ......................................................................................... 20 3.3.2 以跨層式方法處理繞徑選擇問題 .............................................................. 23 3.3.3 路徑的轉換與回復...................................................................................... 28 3.4 廣播封包的整合管理(Broadcast Packet Integration) ............................................. 29 3.5 繞徑模組整合層(Routing Module Integration Layer) ............................................ 32 第四章模擬實驗與結果分析 .................................................................................................... 35 4.1 模擬環境 ............................................................................................................... 35 4.1.1 道路車輛移動模擬工具 .............................................................................. 35 4.1.2 通訊網路模擬工具...................................................................................... 42 4.2 結果與分析............................................................................................................ 44. iv.

(9) 4.2.1 不同場景間之封包傳輸率比較 .................................................................. 44 4.2.2 封包傳遞路徑的觀察.................................................................................. 49 4.2.3 以不同時段來觀察傳輸效能 ...................................................................... 55 4.3 討論 ....................................................................................................................... 59 第五章結論與未來研究 ............................................................................................................ 61 5.1 結論 ....................................................................................................................... 61 5.2 未來研究 ............................................................................................................... 61. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. v. iv.

(10) 表目錄表 2.1 R.W. Rothery 所提出的跟車模式[20]。 ................................................................... 7 表 4.1 高速公路場景車輛移動模擬參數。 ....................................................................... 38 表 4.2 市區街道場景車輛移動模擬參數。 ....................................................................... 39 表 4.3 市區街道場景以 ActivityGen 產生車流量的參數。 .............................................. 41 表 4.4 NS-2 模擬實驗的設定。 .......................................................................................... 43 表 4.5 各場景的平均封包傳輸率(百分比)。..................................................................... 46 表 4.6 各場景的平均延遲時間(秒)。 ................................................................................ 49 表 4.7 高速公路場景封包傳遞路徑的比例數據。............................................................ 50. ‧ 國. 學. 表 4.8 市區街道場景封包傳遞路徑的比例數據。............................................................ 51 政治大立表 4.9 高速公路場景發生路徑轉換傳遞封包的比例(百分比)。 ...................................... 52. ‧. 表 4.10 市區街道場景發生路徑轉換傳遞封包的比例(百分比)。 .................................... 53 y. Nat. sit. er. io. 表 4.11 各場景的平均 hop 數。 ........................................................................................ 53 n. al. ni. v. Ch 表 4.12 平均資料傳輸量(throughput)的效能比較。 ......................................................... 59 engchi U. vi.

(11) 圖目錄圖 2.1 Divecha 等人在實驗中使用的四種移動模型[8]。 .................................................... 8 圖 2.2 Bai 等人所提出用來分析移動模型對 MANET 效能影響的架構[2]。 ..................... 9 圖 2.3 跨層式設計的各類方式。 ...................................................................................... 15 圖 3.1 多重繞徑協定平面示意圖。................................................................................... 18 圖 3.2 在多重路徑中選擇最佳路徑傳遞封包的概念。 .................................................... 20 圖 3.3 備援封包傳遞路徑的概念。................................................................................... 19 圖 3.4 資料封包的處理流程。 .......................................................................................... 22 圖 3.5 兩層式的繞徑模組選擇方式。 ............................................................................... 24. ‧ 國. 學. 圖 3.6 路徑選擇的流程。 .................................................................................................. 27 政治大立圖 3.7 三種封包傳遞時錯誤的路徑回復處理。 ............................................................... 29. ‧. 圖 3.8 整合式廣播封包列車(packet train)的格式。 .......................................................... 30 y. Nat. sit. er. io. 圖 3.9 廣播封包列車的處理程序。................................................................................... 31 n. al. ni. v. Ch 圖 3.10 收到廣播封包列車後的處理程序。 32 e n g c..................................................................... hi U. 圖 3.11 繞徑整合層架構圖。 ............................................................................................ 33 圖 3.12 繞徑模組整合層與各模組之間的整合介面。 ...................................................... 34 圖 4.1 模擬高速公路場景(freeway)。 ............................................................................... 37 圖 4.2 模擬市區街道的場景(grid streets)。 ....................................................................... 39 圖 4.3 高速公路場景各繞徑方法平均封包傳輸率的比較。 ............................................ 45 圖 4.4 市區街道場景各繞徑方法平均封包傳輸率的比較。 ............................................ 45 圖 4.5 高速公路場景各繞徑方法的平均延遲時間比較。 ................................................. 48 圖 4.6 市區街道場景各繞徑方法的平均延遲時間比較。 ................................................ 48 圖 4.7 高速公路場景封包傳遞路徑的比例。 ................................................................... 50 圖 4.8 市區街道場景封包傳遞路徑的比例。 ................................................................... 51. vii.

(12) 圖 4.9 高速公路場景 hop 數的比較。 ............................................................................... 54 圖 4.10 市區街道場景 hop 數的比較。 ............................................................................. 54 圖 4.11 高速公路場景節點數 200 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 55 圖 4.12 高速公路場景節點數 400 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 56 圖 4.13 高速公路場景節點數 600 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 56 圖 4.14 市區街道場景節點數 400 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 57 圖 4.15 市區街道場景節點數 600 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 58 圖 4.16 市區街道場景節點數 800 時各繞徑方法的傳輸量變化。................................... 58 圖 5.1 不同繞徑方法混和的車用網路。 ........................................................................... 62. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. viii. iv.

(13) 第一章緒論 1.1 背景. 近來由於車載隨意網路(Vehicular Ad-hoc NETworks, VANET)技術需求的提升，使得相關研究不斷改良演進。這些研究包括從車輛移動模式(mobility model)的研究；根據車用. ‧ 國. 學. 網路適性而設計的繞徑協定；或是針對一些特定應用如廣播緊急事件的訊息、車輛事故政治大立現場定位等關鍵任務應用，而設計的無線通訊方法；以及在高速率、高可靠度、或高安. ‧. 全性等效能方面的改良。雖然這些應用所使用到的技術研究在近年來都有長足的進展， y. Nat. n. al. sit er. io. 然而在商業的普及上仍有許多進步的空間。 Ch. n engchi U. iv. 透過許多學者的研究，我們可以了解到 VANET 與其他移動式無線網路(Mobile Ad -hoc Network, MANET)本質上的差異與其獨特性。這些特性之中，包括車輛移動的方式，所有的車輛皆依循著道路的鋪設而移動，而一般的道路又分為單向雙向以及因不同的車道數目而有所不同。這樣的移動方式和在一個開放空間任意移動的方式存在非常大的差異。另外，道路分布的拓樸，也呈現多重樣貌的差異性，像是一般棋盤式的市區道路(或稱為曼哈頓式街道分布)或不規則的網狀分布，一般郊區或小城鎮的主幹道與街道交錯的分布，另外還有如遠程公路或高速高路，多以直線非交錯的形式呈現，甚至也可以發現因地理環境如河流、丘陵、海岸線所造成特殊的道路分布樣式。這些不同的樣式，都會影響到車輛節點的移動和分布的狀況，同樣地也會對無線網路通訊產生關鍵性的影響。另外，即使在相同的地點，道路上的車輛，也會因時間而有所不同，例如上下班尖峰時間和夜間的離峰時間，兩者所呈現的移動模型很可能是南轅北轍的。此外，車輛移動的 1.

(14) 速度，比起其他領域的節點移動來說較高，變化也較大。車輛之間的差異，駕駛人員的操駕特性，交通號誌的設計等，也會影響整個道路上車輛節點的分布狀況。例如交叉路口，附近的車輛往往都會造成群聚現象，因而造成路口周圍區域容易產生資料傳輸壅塞問題，影響了整體資料傳輸效能。. 在 VANET 應用中，資料傳遞的方式，大致可分為分散式與繞徑式。在分散式傳播的應用中，必須盡可能減少資料傳輸的壅塞問題，以便在最小的聯通時間內，傳遞最大的資料量，因而必須在有限時間裡，找出最有效率的分散方法。至於繞徑式的資料傳遞，則需要考慮封包傳遞過程中路徑變化的問題。為了維護路徑，一般的繞徑方法又可分為主動式(proactive)與隨需式(reactive or on-demand)兩種，兩者最大的差別在於路徑資料的. 政治大更新頻率。主動式的方法會自始持續維護路徑資料，而隨需式的方法只有當資料需要傳立 ‧. ‧ 國. 學. 輸時，才會建立或更新繞徑資料。因此在路徑變化快速的車用無線網路中，不需要長期. sit. y. Nat. 維護路徑資料的繞徑協定，效能表現通常較佳，但當車輛節點數量過度群聚時，還是會 n. er. io. 因為封包的氾濫造成資料擁塞或資料傳輸的嚴重延遲。在 VANET 上的另外一個特點是， a iv l C hengchi Un. 利用全球衛星導航系統(GPS)來定位，藉由車輛定位並將座標位置與定位服務(location service)結合，來協助解決無線網路封包繞徑的問題，這類繞徑方法，一般被歸類為 position-based (or location-based)的繞徑協定。將封包傳遞的過程，依據節點地理位置來傳遞，各節點在取得周圍節點的座標位置後，加以運算以獲得最有效的封包傳遞路徑。. 另一方面，為了克服種種在車用環境的特殊因素，不少研究者分別從網路的各階層 (layer)去探討問題，例如，採用無線網路的電子煞車燈，為了能同時讓事故車輛後方的車輛能在最短時間被通知事件的發生，需要同時考慮快速且可靠封包傳遞的方法，才能應付這類關鍵性的任務，所以有些學者[22]提出藉由改良式的 MAC 層來解決。不過，有一些學者以其他不同的方式來解決。他們認為以傳統 OSI 網路階層的方式，在各個階層內進行改良，可能無法解決車用網路在傳輸效能上的需求，以及難以應付劇烈變化的. 2.

(15) 網路拓樸變化[13]，所以一些跨層式(cross-layer)的解決方法被相繼提出，期望能更有效地解決 VANET 上效率的問題。這些跨層式的設計，主要是強調藉由交換網路各階層的狀況，來輔助其他層在決策上的最佳化。例如，利用蒐集實體層通信訊號的強弱，來協助繞徑層在選擇節點路徑的參考。. VANET 上的各種應用，也隨著技術上的突破而蓬勃發展。這些相關的應用包括:. 1.. 與安全相關的應用，主要是著重在以價格低廉的 Wireless LAN 無線技術，來取代價格昂貴防治車輛意外發生的其他設備或解決方案。. 信息散播的服務，主要是用來解決交通壅塞的問題。藉由封包的散布來讓後方政治大立進入熱區的車輛有機會改道。. 3.. P2P 資料傳輸的應用，利用道路上的同向車輛，在相當時間內，保持固定的相. ‧. ‧ 國. 學. 2.. sit. y. Nat. n. 者。. 4.. er. io. 對空間位置的特性，得以較好 QoS 的品質及較高機率成功分享給鄰近資料訂閱 a iv l C hengchi Un. 其他應用如與延遲容忍網路(Delay-Tolerant Networking)相關的應用。在節點數量極少的環境，若對於資料的可靠度需求較高，且在即時性上面的需求較低，便可用機會傳遞(opportunistic forwarding)的方式來傳送資料封包，這類應用可在一些救災訊息的通報上發揮作用。. 從這些不同的應用來看，我們也可了解車用網路的多樣性，當在探討各種技術的改良時，往往也必須依據應用的需求不同，調整技術發展的方向。. 一般在 VANET 的環境，可區分為 V2I (Vehicle-to-Infrastructure)、V2V (Vehicle-to-Vehicle)兩種型態，其中 V2I 是指車輛之間的通訊可藉由道路兩旁的基礎設 3.

(16) 備，來做資料傳輸的節點，藉由這些固定的節點，往往可以協助純粹 ad-hoc 的無線網路，提升傳輸效率。除此之外，一般車輛都會配置發電系統，所以對於車載的通訊系統平台，在運算能力與降低功率消耗問題等關鍵需求上，比較能夠提供充足的條件來滿足更複雜的方案，來解決通訊上的問題，這也是車載網路發展無線應用的優勢。. 1.2 研究動機. 隨著各國政府越來越重視智慧型運輸系統(Intelligent Transportation System, ITS)的建設，以及許多致能科技(Enabling Technology)的日趨成熟，使得更多可能的應用被納入來解決交通相關的問題。為落實這些應用，必須考量如何將這些應用及技術整合在單. 治政 Unit, 一系統中(例如車輛上所配置的 On-board OBU)，讓同一輛車可以同時面對不同環大立 ‧. ‧ 國. 學. 境中的各種應用。. y. Nat. sit. er. io. 關於繞徑問題，在 VANET 領域中一直是個挑戰，因不同道路上車輛節點的移動方 n. al. ni. v. Ch 式對於使用在行動隨意網路(mobile ad hoc e n gnetwork)中的多種繞徑方法，在效能上有決定 chi U. 性的影響[8]，並且針對某種移動模型加以設計改良的繞徑方法，也往往無法適用於其他的移動環境上。所以，考量各種移動模型對繞徑方法產生的影響，恐怕很難找出一個單一的方法，來解決所有問題。. 在本篇論文中，我們提出的方法並非改良或設計任何一個單一的繞徑協定，而是試圖提出一套整合的架構在車用網路節點之中，以三種策略方法來建構系統，分別是整合多重繞徑方法、以跨層式方法設計繞徑模組的選用以及廣播封包的整合。讓車輛節點在傳遞封包時，能藉由不同的繞徑方法同時在網路上運作，找出更多可能的路徑；並且利用跨層式的設計來幫助繞徑層辨識出目前節點所處的環境，在所有可能的路徑中，選擇一個最佳的路徑來傳遞，同時整個網路也能因廣播封包的整合，降低因多重繞徑協定而加劇的廣播風暴問題，以期在不同環境中，道路車輛間的無線資料傳輸效能維持在最佳 4.

(17) 的狀況。. 1.3 論文架構. 本論文以下的部分，分成幾個章節：第二章為相關的研究探討；第三章為本論文所提出的方法；第四章以模擬的方式來驗證本論文所提出的方法，並分析討論實驗結果；第五章為結論與未來的研究方向。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. 5. iv.

(18) 第二章相關研究 2.1 移動模型. 車用無線網路和其他無線網路最大的差異在於車輛移動的方式及其特徵。由於受限於實驗規模，往往很難根據真實道路車輛的移動加以追蹤及記錄，以作為反覆實驗的原始資. ‧ 國. 學. 料。所以有許多學者提出各種模型[1][7]，以模擬的方法呈現車輛在道路上的移動情形，政治大立透過資料傳輸的模擬實驗，了解各種傳輸協定實際上可能的效能表現。如 Saha 等人在. ‧. [21]首先將道路資料納入模擬實驗當中，讓節點能依道路的拓樸移動。實驗結果雖然顯 y. Nat. sit. er. io. 示和傳統所使用在開放空間中的 Random Waypoint 移動方式，差異並不大，但卻開啟了 n. al. ni. v. Ch 車輛移動模型後續的相關研究。例如，將道路交通號誌納入考量，來模擬實際的車輛分 engchi U. 布及車流。像是 Choffnes 等人在[7]提出的 STRAW (STreet RAndom Waypoint)的移動模型，則是將車輛移動以一套跟車模式來模擬。該跟車模式是由微觀交通研究學者所提出 [20]，如表 2.1，說明每一輛車在行進間，與前車的距離是由車輛長度、駕駛人的反應時間以及車輛制動的性能所決定。其中反應時間是指前車煞車燈亮起到駕駛人開始做出對應減速動作的時間，至於車輛開始減速到完全停止所需要預留的距離，則以γ∙V2 來表示，V 是當時駕駛者車輛的速度，γ的數值則通常以與前車相對最大平均減速度兩倍的倒數來估計，根據經驗約等於 0.023 秒 2 / 英尺。除了車輛以外，道路上的設施，也影響了車流量的狀況，如 Mahajan 等人在[16]提出 SSM (Stop Sign Model)、TLM (Traﬃc Sign Model)等模式，用實驗展示模擬號誌對於道路交通的影響。. 6.

(19) 表 2.1 R.W. Rothery 所提出的跟車模式[20]。. where: S = average spacing rear bumper to rear bumper in meters V= speed of current car α= the effective vehicle length β= the driver’s reaction time γ= the reciprocal of twice the maximum average 治立. 政. 大. ‧. ‧ 國. 學. deceleration of a following vehicle. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iv. 從這些研究的實驗結果來看，都證明在更接近真實的模擬環境中，不論 topology-based 或是 position-based 的繞徑方法，網路傳輸的效能都會受到嚴重的影響。 [24]則是更進一步將車輛節點區分為不同的角色類別，如公車、計程車和自用車等，搭配微觀的車輛移動模式，以實驗來了解這些節點移動方式的差異。之後又有學者針對更真實的道路環境，提出模擬車輛的移動模式，在[1]中則是導入在無線網路模擬實驗中所使用的 Mask-Based Mobility Model (MBMM)，套用在車輛的道路環境。也就是根據一天不同的時段，配合不同地理環境及道路空間的特性(attraction weight)，以及車輛可能停留或移動的時間和速度等，套用數種模式來模擬車輛的移動。有別於以往單純模擬車輛以最短路徑行駛的方式，納入更多人們在市區內可能移動的方式，來達到更接近於現實的狀況模擬。所以，當我們以模擬實驗來檢驗相關的繞徑問題時，必須考量各種符合實際車用道路環境的因素，如跟車模式、路口交通號誌以及不同車輛的組合。 7.

(20) 經由這些模型得以在實驗中呈現出道路車輛移動方式的特殊性，以及和其他 MANET 領域節點移動的差異，並透過對這些差異存在的理解，找出影響網路傳輸效能的關鍵。Divecha 等人在[8]直接以實驗來觀察四種移動模型對繞徑方法效能的影響。如圖 2.1，這四種移動模型包含 Random mobility model、Random point group model、Freeway mobility model 及 Manhattan mobility model。作者以實驗結果說明不同移動模型、節點密度和資料傳輸路徑幾個因素，對兩種繞徑協定(DSDV、DSR)效能上的影響。. 立. ‧. ‧ 國. 學 Random point group model. n. al. er. io. sit. y. Nat. Random mobility model. 政治大. Ch. n engchi U. iv. Manhattan mobility model. Freeway mobility model. 圖 2.1 Divecha 等人在實驗中使用的四種移動模型[8]。. Bai 等人在[2]則提出一套架構(如圖 2.2)，以 mobility metrics、connectivity metrics 及 performance metrics 三項指標來分析移動模型對網路效能的影響。其中前兩項為與. 8.

(21) protocol 無關的度量值，包括空間移動範圍，速度、地理環境限制等移動因素，還有無線網路連接特性，如連結度、連接時間、傳輸路徑等因素。至於後者則直接與 protocol performance 相關，包含常用的資料流量以及繞徑所需要的成本。透過不同種類道路環境的模擬實驗，由實驗結果來說明移動模型如何影響傳輸效能，以及從連結特性來了解造成影響的原因。最後，作者也將繞徑協定的組成(building blocks)加以分析，並分別從實驗結果來探討移動模式對繞徑協定效能的影響。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iv. 圖 2.2 Bai 等人所提出用來分析移動模型對 MANET 效能影響的架構[2]。. 從以上 Divecha 與 Bai 等人的研究，我們可以知道，不同移動模型對網路上節點連接的特性(connectivity)，彼此互不相關，對繞徑方法效能的影響也各不同，所以在我們的研究中會以較為接近真實環境的移動模型，也就是高速公路的場景與市區道路 9.

(22) (Manhattan style)的場景，來做模擬實驗，以取得較為實際的數據結果。. 其他對 VANET 移動模型的相關研究還包括：[12]是從數個研究中，來說明 VANET 的特性，並指出高速移動、拓樸的快速變化及短暫的連結時間是導致網路效能下降最主要的原因。Harri 等人[11]則對各種 mobility model 做了較大規模的研究調查，歸納出在真實的模擬環境應具備的特性，也對在各研究中所提出的移動模型，分析其特性及探討之間的差異。另外為了瞭解道路地圖的拓樸與車輛移動之間的關係，作者提出一套可以產生各種地圖及車輛移動方式的模型，透過實驗來瞭解和網路傳輸效能的影響。但這些研究都是以追蹤現實車輛移動的方式來分析，需要牽涉的研究規模較大，故在我們的研究當中，不採用這樣的模式。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 2.2 VANET 上繞徑協定的效能研究. y. Nat. sit. er. io. 由於 VANET 節點移動的特性，影響了許多繞徑協定的效能。在[5]的研究中，作者 n. al. ni. v. Ch 在 random waypoint 的移動場景下，觀察在不同節點移動速度下(以每個節點移動一段距 engchi U. 離後，停留時間的長短來控制節點的移動性)，各個繞徑協定的效能差異。實驗中針對 DSDV、TORA、DSR 及 AODV 四種繞徑協定，觀察各協定的封包傳輸率、繞徑封包的負擔以及封包傳遞路徑與最短路徑(shortest path)之間的差異。結果顯示，各繞徑協定所呈現出的效能特性各有不同。像是 DSR 與 AODV 在移動變化較劇烈的情況下(停留時間較短)，封包傳輸率的影響較小；相對的，DSDV 和 DSR 的封包傳遞路徑則較接近最佳路徑，另外繞徑協定 TORA 的效能則與資料來源端的數量有關。. 至於Stojmenovic等人則是在[23]對於一些常用的 position-based 繞徑協定，做了定性分析，以不同的特性分類來說明各繞徑協定之間的差異。例如在greedy forwarding 的決策上，以鄰近節點位置、傳輸成功率、hop count及無線電功率等因素，來比較這些繞徑方法的差異以及效能。並且，在對於concave節點所採用的兩種不同路徑回復(recovery 10.

(23) mode)策略類型的各種方法做比較，一種是有記憶性的(memorization)，就是藉著記錄路徑節點位置的方法，來取代greedy方式，以繞道的方法來傳遞到目的端。另一種則是無狀態記憶(stateless)的方式，純粹以鄰近節點的位置及目的端位置作為依據的路徑回復方法。最後，作者的結論指出，透過這樣的分類分析，可以讓我們對不同position-based繞徑方法的特性能夠有所了解，並且指出有待改良的部分。然而一般而言，position-based 繞徑協定在節點密度較多的時候表現較好，而且有記憶性的路徑回復方法，因為需要額外的負擔較小，所以效能較好。. 在 Füßler 等人的研究中[10]，我們也可以看到，以 Dynamic Source Routing (DSR) 為代表的 reactive topology-based 繞徑方法和 position-based 的 Greedy Perimeter. 政治大 Stateless Routing (GPSR)[15]，兩者在特性上的不同。在 VANET 的環境中，作者認為立 ‧. ‧ 國. 學. position-based 的繞徑方法在通訊節點距離增加的情況下，能比 reactive topology-based. sit. y. Nat. 的方法維持一定的資料傳輸率，而且繞徑封包的負擔比 reactive topology-based 方法有 n. er. io. 更好的延展性，不會因為傳輸範圍而受影響。而 reactive topology-based 方法則當通訊 a iv l C hengchi Un. 節點的距離增加，資料傳輸率則因需要更多的路徑維護封包而下降。[17]則是以 Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV) 和 GPSR 兩種繞徑方法在真實的車輛追蹤模型上做比較，並分別指出 AODV 常因廣播風暴[18]的問題，以及 GPSR 因為選擇錯誤的鄰近節點當作下一個跳接節點(hop)，往往使得在實際 VANET 環境下效率不彰。因而作者分別提出 Preferred Group Broadcasting (PCB)，以無線功率來控制廣播封包的發送，改善 AODV 的效能；以及以節點的移動訊息(velocity)，而非原始的位置資訊(position)，來改善 GPSR 的效能。. Bernsen 等人[3]則是進一步對於所謂在 VANET 上的 QoS (Quality of Service) 繞徑協定，做了更深入的研究。與一般具有基礎架構網路不同，在 VANET 上的 QoS 並不能針對不同服務的封包作分類並給予保證或預留的頻寬，因為即使有道路旁的基礎架構. 11.

(24) (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。政治大立. ‧. ‧ 國. 學. 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. sit. y. Nat. 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 n. er. io. 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 a iv l C hengchi Un. 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. 12.

(25) 為基礎的 OLSR 繞徑方法之效能。為了選擇更合適的 Multi Point Relay (MPR)， 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。 (. ∑. (. ) ). ( ) ( ). (2.1). rnm, ave 是指節點 n 所測得相鄰節點 m 之 SNR 變化率(rate of change of SNR)，N 則是記錄 SNR 值的循環陣列，讀取陣列元素時，避免超過陣列範圍，運算過的索引值以取 mod(N)來做結果，當 rnm, ave 大於或等於 0 時，表示相鄰節點 m 正往節點 n 靠近，因而訊號的強度增強或是兩者維持等距運動，反之則表示遠離節點 n。作者又以相. 治近度(affinity) anm 來表示節點 n 與 m政之間的相對位置變化，當 rnm, ave 大於零時，表示大立. n. al. er. io. sit. y. Nat. 界值以下(2.2)。. ‧. ‧ 國. 學. 兩個節點互相接近，因而訊號會越來越好。反之則表示兩點距離漸遠，直到訊號降到臨. Ch. n engchi U. iv. {. (2.2) |. |. 利用這個特性，就可以用來選擇 MPRs link，利用這些 MPR 節點們來發送路徑維護封包以及維護路徑資料。經實驗驗證，這樣可以有效解決這種主動式路徑方法在VANET 環境中的效能。. 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. 13.

(26) 的路徑很快又發生中斷，整體的效能立即會因為等待路徑逾時而降低效率，並且為了有可能為了尋找路徑而又必須廣播 RREQ 封包，同樣會降低整體效能。所以 R-AOMDV 利用跨層式的方式，從 MAC 層所提供的連線品質的相關資訊，也就是來源節點和第一個 hop 之間資料重傳(retransmission counts)的次數，再配合以 hop count 的路徑資訊來選擇相對穩定且延遲時間較少的路徑。R-AOMDV 利用公式(2.3)所計算的量值來選擇最佳路徑. (. ⁄ (. ). ( ) ⁄. ) ( ). (2.3). α 及 (1-α)分別為 hop count 及 retransmission count 的權重值(在[6]中兩者的權重. 政治大皆為 0.5)，HOPi 為第 i 個路徑的 hop count，K 為路徑的數目，MAX_HOP(K)和立 ‧. ‧ 國. 學. MAX_MAXRETRAN(K)則分別為路徑中最大的 hop count 及最大的 retransmission. sit. y. Nat. 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 n. 路徑的效能。. er. io. 究是以鄰近節點底層(MAC layer)所提供的訊息，以及路徑的長度綜合考量後，再來評估 a iv l C hengchi Un. 有學者[13]將 VANET 上以跨層式設計的相關研究方法，做了較為廣泛的調查並以四個分類，來理解跨層式設計的發展及趨勢，這四類方式如圖 2.3。其中(a)類方法是以定義特別的介面來交換與其他階層之間的資訊，幫助各階層以更佳的決策來執行功能。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. 14.

(27) 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。政治大立. ‧. ‧ 國. 學. 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，. sit. y. Nat. 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 n. er. io. 以及跨層式設計的標準化等等都是應該注意的問題。 a iv l C hengchi Un. 圖 2.3 跨層式設計的各類方式。. 15.

(28) 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政治大立 (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. ‧ 國. 學. 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. ‧ er. io. sit. y. Nat. 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 n. al v 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 ni C hengchi U. 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 16.

(29) 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)。. ‧. ‧ 國. 學. 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，才政治大立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。. Nat. n. al. er. io. sit. y. 3.2 多重繞徑協定路徑平面(Multiple Routing-Path Planes) Ch. n engchi U. iv. 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。. 17.

(30) Paths mapping of the routing protocol 2. Paths mapping of the routing protocol 1. source node. destination node car nodes. ‧. ‧ 國. 學. 政治大立圖 3.1 多重繞徑協定平面示意圖。. y. Nat. sit. er. io. 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 n. al. ni. v. Ch 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 engchi U. 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。. 18.

(31) 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。. 其中第一點表示任何時候對資料來源端來說，當存在一個以上的路徑可供封包傳遞. ‧ 國. 學. 時，資料來源端可以依需求來選擇最佳的路徑。如圖 3.2，假設在來源端與目的端之間，政治大立存在兩條可供封包傳遞的路徑，圖中上方的路徑是由某個繞徑方法決定的，同時下方則. ‧. 是由另一個繞徑方法所決定的路徑，上方的路徑也許以 hop 數來看較少，可以得到較短 y. Nat. sit. er. io. 資料封包傳遞的延遲時間，但在考量路徑維持時間的穩定性來說，以下方的路徑來傳遞 n. al. ni. v. Ch 封包，或許能得到更佳的封包傳輸成功率。至於路徑優劣的選擇，我們以跨層設計的方 engchi U. 式，參考由節點網路底層提供的環境因素資訊，對各路徑的風險做評估等等，建構相關程序，以利用多種繞徑方法的特性，來克服網路環境的變化。. 圖 3.2 在多重路徑中選擇最佳路徑傳遞封包的概念。. 19.

(32) 至於第二點，則代表一旦某個路徑中斷，節點能夠以其他已經存在的路徑當作備援繼續封包的傳遞，而不需要等待繞徑協定重新找尋新的路徑。特別是在網路連通性變動劇烈的環境下，資料傳輸路徑需要不斷地更新，當更新時，除了需要消耗額外頻寬上的成本來交換繞徑封包，同時也浪費了時間上的成本，增加了封包傳遞延遲的時間。所以，備援路徑可以減少因路徑問題而造成時間上的浪費，如圖 3.3。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iv. 圖 3.3 備援封包傳遞路徑的概念。. 我們的目標就是藉由比較這些路徑，適時選擇能提供最佳效能的繞徑方法來傳遞封包，來達到在不同的環境中，維持網路的最大效能。. 3.3.1 資料封包的處理當繞徑模組收到資料封包時，封包的來源有兩種，一種是來自上層應用層，另一種是從其他節點轉送來的，透過網路底層接收後，再轉交給繞徑模組，由繞徑模組決定資料封包下一個 hop 的接收節點。所以在我們處理資料封包時，需要先區分此封包是否為轉送的封包，若是轉送而來的封包，我們會先考量以封包原來的路徑再轉送出去，除非. 20.

(33) 原來的路徑發生狀況，才會考量採用別的路徑，詳細的步驟說明如下，圖 3.4 則為封包處理的流程圖。. 步驟1. 先檢查資料封包的來源端位址是否為目前的節點，若目前節點為來源端則跳至步驟 3。. 步驟2. 查詢該封包是經由何種繞徑協定方法所轉送而來，並查詢是否能沿用原來的模組傳遞該封包，若模組所維護的路徑表，顯示該路徑已不存在(bad route)，或者對於不具路徑表的模組(如 GPSR)來說，目前不存在有效的鄰近節點，則直接到步驟 5。. 步驟3. 進入路徑選擇程序。立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. io. sit. y. Nat. 步驟4. 根據路徑選擇程序的結果，若存在一個模組能提供最佳的路徑，則跳至步驟 er. n. 5，若目前沒有任何路徑可提供轉送封包，則將目前封包存至佇列中，直到 a iv l C hengchi Un. 新的路徑出現，或是等待逾時將封包丟棄。. 步驟5. 以目前選擇的路徑來傳送資料封包。. 21.

(34) Receive data packet. No. Step 1. If packet is forwarded from other nodes. Yes Examine if the original module can forward the packet to next hop. If the packet can be forwarded by original module. Step 2. Yes. 政治大 No 立. ‧ 國. 學 Path selection process. ‧. Step 3. n. er. io. sit. y. Nat. al. Step 4. No. Ch. n engchi U. iv. If there is a module that can provide the best path being selected. Enqueue the data packet. Yes. for waiting new route. Step 5. Request the selected routing module to deliver the packet. End 圖 3.4 資料封包的處理流程。 22.

(35) 處理資料封包的程序，必須讓各模組能夠執行各自的繞徑協定方法，同時最主要的工作就是將資料封包交由適當的繞徑模組來轉送封包。因此，在我們的架構中，必須有一個獨立的單元，來執行程序並所有相關整合的工作，包括蒐集其他網路層提供的資訊，作為選擇路徑的參考，或是檢視各繞徑模組的狀態等。至於路徑選擇的方法，則在下一小節中說明。. 3.3.2 以跨層式方法處理繞徑選擇問題為封包選擇最適當的路徑，我們採取的策略主要是讓車輛節點在行進間，對節點周圍環境進行各種觀測，以觀測值來評估各路徑的風險或機會。當然各繞徑方法的特性不. ‧ 國. 學. 盡相同，很難在相同的基礎點上來評估優劣治因此我們可以將繞徑方法分成不同的類別，政。大立相同類別的方法，可以以各種量值來評估，而不同類別之間則可以啟發式(heuristic)的方. n. al. er. io. sit. y. Nat. 以及需求來調整。. ‧. 式來做決策。當然，在我們架構中，選擇路徑的程序是應該可以隨繞徑方法組合的不同. Ch. n engchi U. iv. 在整合層裡設計一個分派封包給不同模組的程序時，可以以 topology-based 與 position-based 兩種類別的特性來區分可傳送封包的模組，先判斷封包適合以哪一類的模組來傳送，然後再判斷同個類別的模組當中，哪一個模組最適合在目前的環境下，用來傳送封包。這種兩層式(two-tier)的方式(如圖 3.5)，可以提供兩種好處，第一，模組類別可以大致呈現繞徑方式的特性，並依此來鑑別(rank)模組可能呈現的效能表現。例如 topology-based 的繞徑方法，會先建構與各目的端之間的路徑，並維護一個路徑表格來查詢路徑的有效性以及決定下一個轉送節點；相對的，position-based 則通常只需要維護目的端的位置，便能決定封包的路徑。第二，同類別的模組才比較容易站在相同的基礎上來比較兩個模組之間的差異。例如，兩個同為 topology-based 類別的模組，可以依為封包所提供路徑的 hop 數來判斷路徑的好壞，但 position-based 類別的模組則無法再傳送封包前得知路徑的 hop 數。 23.

(36) A packet needs to be delivered by a new better path Determine which category of routing module is the best for delivering the current packet.. Select one of topology-based modules to deliver the packet. Module 1. Select one of position-based modules to deliver the packet. Module 1. Module 2. 立. Module 2. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 3.5 兩層式的繞徑模組選擇方式。. ‧ er. io. sit. y. Nat. n. al v 所以，本段先說明依繞徑模組的分類特性，來選擇類別的方法。通常 topology-based ni C hengchi U. 的繞徑協定需要花費較多的起始時間(initial time)來建立路徑，但路徑一旦建立，路徑上的鄰近的節點只要相對位置的變化，不超過無線傳輸的範圍，通常路徑的品質較佳。然而，當節點密度較高時，卻容易因廣播封包的問題造成壅塞。另一方面，position-based 的繞徑協定對於位置的變化較敏感，路徑中的節點因為位置的改變，可能造成繞徑運算的結果改變，例如 greedy forwarding 的方式，乃以節點之間的距離作為選徑的準則，當節點移動速度增加時，路徑風險的增加速率也比較大[4]。然而在節點較密集的地方，通常意味著節點移動的速度較慢，position-based 對路徑的計算結果與節點位置變化的差異就會越小，資料傳輸率便可得到較佳的表現。所以我們可以根據這樣的特性，來設計我們路徑選擇的程序。. 首先我們要定義一個量值，此量值代表 position-based 繞徑方法的偏好 24.

(37) (Position-Based Routing Preference, PBRP)，當此值越大時，表示我們可以優先選擇使用 position-based 的繞徑方法，如公式(3.1)。其中 α、β 為兩個 0 到 1 之間的值(0 < α、β < 1)，分別代表不同的權重，Dc 是單一節點的無線通訊範圍，Ddst 則是目的節點與目前節點的距離，Nnb 代表目前節點周圍鄰近節點的數量，Nthresh 為鄰近節點數量的臨界值，超過臨界值則表示周圍節點的密度可能過大，不利於廣播繞徑封包。. 𝐵. (. ). (. ). (3.1). 當我們求出 PBRP 之後，通常 PBRP 越大，就表示越適合 position-based 繞徑協定的使用，反之則以 topology-based 的繞徑協定來傳送，所以我們可以選擇一個 PBRP 的. 政治大臨界值，用來做決策的判斷。為了要讓封包能夠以最小風險的路徑來傳送，我們可以以立 ‧. ‧ 國. 學. topology-based 繞徑方法中，已有路徑存在的模組，優先考量來傳送。但若是目前沒有. sit. y. Nat. 現成路徑，我們就必須考量該以 position-based 優先，還是讓 topology-based 的繞徑協 n. er. io. 定，來尋找路徑。選擇路徑的程序如下。 a. iv l C hengchi Un. 步驟1. 先查詢目前各 topology-based 的方法中，是否已存在任何路徑，若有超過一個以上，則在以 topology-based 的選擇程序來選擇其中最好的繞徑方法。路徑決定之後，跳至步驟 4。. 步驟2. 計算出目前的 PBRP，若 PBRP 超過臨界值，則以 position-based routing 為優先選擇，若未超過臨界值，則仍以 topology-based routing 來傳遞，跳至步驟 5。. 步驟3. 若 position-based routing 優先，便交由 position-based 模組傳送，若超過一個以上的 position-based 模組可供選擇，則以 position-based 選擇程序來選擇其中最佳的一個模組來轉送。若所有 position-based 的繞徑協定，無法決定轉 25.

(38) 送的鄰近節點，則跳至步驟 5。. 步驟4. 將選擇的路徑及該繞徑方法，回報資料封包處理程序，交由該繞徑協定來轉送封包。. 步驟5. 以 topology-based 的繞徑方法來進行路徑的探詢(RREQ)，同時回報資料封包處理程序，將資料封包儲存在佇列中，直到發現新的路徑，最後程序回報目前無任何可傳遞封包之模組。. 其中關於 position-based 的繞徑協定，通常在封包傳遞之前，就可以由演算法得知，有沒有合適的轉送點，不需要等待路徑探詢的時間。然而 topology-based 的路徑，就需政治大立要等待一段時間，才能確定是否路徑存在。所以在步驟 5 中，我們必須先讓封包處理程. ‧ 國. 學. 序將封包存在佇列中，等到有繞徑方法找到路徑時，再選擇最佳繞徑方法來傳遞封包。. ‧ er. io. sit. y. Nat. 而為了讓所有 topology-based 的繞徑方法都能有機會建立路徑，取得各自需要的繞徑路 n. al v 徑表，我們可以利用下一節 3.4 節的廣播封包的整合，來讓尚未作用的繞徑模組也可以 ni C hengchi U. 發送路徑要求建立路徑。圖 3.6 為路徑選擇程序的流程圖。. 26.

(39) Start path selection. Yes. If any topology-based route exists. Step 1. Choose the topology-based. No No. module to deliver packets. If PBRP > PBRPthresh. Step 2. Yes Step 3. Choose the position-based module packets 政 to治deliver 大. 立. ‧. ‧ 國. 學. No. is found. n. al. er. io. sit. y. Nat. If the best module. Ch. n engchi U. iv. Yes. Step 4 Return the id of module, which. can provide the best path. Step 5. Let topology-based routing modules to send request for route (RREQ) and return no route. End 圖 3.6 路徑選擇的流程。 27.

(40) 以上就是在兩層式架構中，位於上層對於模組類別選擇的方法。至於下層對於同類型模組之間的選擇，也就是若同類型的繞徑模組超過一個以上，則可以再用其他的量值來做為路徑選擇的依據。例如，當同時間有數個 topology-based 類別的模組，分別提供不同的路徑傳遞封包至目的端時，可以利用 R-AOMDV[6]所使用的公式(2.3)，分別對每個模組所提供路徑的 hop 數以及與下一個節點的重傳次數，來選擇路徑並將封包交遞提供該路徑的繞徑模組來傳送。至於 position-based 類別的模組之間，則必須以其他的方式來選擇最佳的繞徑模組，這是因為通常 position-based 繞徑模組不會維護路徑的資訊，因而無法得知各路徑的 hop 數來估算，所以我們可以用類似 SBRS-OLSR[22]的方法，以公式(2.1)來收集鄰近節點訊噪比的變化量，比較各模組計算出的 next hop 節點之間該訊噪比變化量的差異，並配合量測與該節點目前的 SNR 值，以 SNR 值超過某個臨界值且政治大立訊噪比變化量最小的鄰近節點，來作為選擇 position-based 繞徑模組的依據。在本篇中. ‧ 國. 學. 由於篇幅的關係，我們將只探討各類別模組分別只有單獨一個的情況，關於同類別繞徑. ‧. n. al. er. io. sit. y. Nat. 模組整合的選擇或比較等相關問題，可在未來研究中做更深入的探討。. 3.3.3 路徑的轉換與回復. Ch. n engchi U. iv. 當資料封包在傳遞過程中，若途中路徑上的節點離開傳輸範圍，造成資料傳遞的中斷，一般的繞徑協定就會將封包丟棄，必須由來源端再重新找尋新的路徑。而利用多重路徑，我們可以讓這些中斷的資料封包能以其他繞徑協定的路徑，繼續轉送到目的端，以降低封包的漏失情況。如 3.3.1 的步驟 2 中，假設原來路徑中的下一個轉送點(next hop) 已不存在的情形，這種中途以其他繞徑方法之路徑傳送的方式，稱為路徑轉換。如果轉換的路徑有一個以上的選擇時，則同樣可以透過路徑選擇的程序，來決定新的路徑。如果完全沒有其他的路徑時，則封包就必須被丟棄，但如果資料封包是屬於非及時性的服務等級(non-real-time packet service)的應用，也可以將封包留置在佇列內一段時間，等待之後新的路徑出現。. 28.

(41) 路徑回復處理的執行時機，可分成三種封包傳遞時的錯誤情況，第一種是在與下一個節點傳輸封包過程中，在資料連結層發生中斷(例如 MAC 層發生碰撞)而導致錯誤；第二種是原來路徑中的下一個節點離開了目前節點的通信範圍，封包因而無法傳遞；最後一種則是在開始傳遞封包之前，繞徑模組就無法找到路徑的情形。當整合架構偵測到這些情況發生時，便對該資料封包進行路徑選擇的程序，如圖 3.7。. Link layer error detection callback function. Original route is broken. 立. Non-real-time packet queue (before timeout). 政治大. ‧. ‧ 國. 學 y. sit. io. n. al. er. Nat. Path selection process Ch. n engchi U. iv. 圖 3.7 三種封包傳遞時錯誤的路徑回復處理。. 資料回復的過程中，需要注意的是避免封包無窮地嘗試不同的繞徑方法，造成系統無謂的負擔，所以我們可以加上時間限制，或是在資料封包中，加入繞徑方法的紀錄欄位(data routing record)，對於已經曾使用過的繞徑方法，就不需要重複嘗試。. 3.4 廣播封包的整合管理(Broadcast Packet Integration). 某些繞徑封包是以廣播的方式與其他鄰近節點交換路徑資料，這些封包的資料量都不大，但卻因為連鎖廣播的效應，大量的封包往往還是會造成所謂廣播風暴(broadcast. 29.

(42) storm)的問題。雖然，[18]學者提出幾種控制封包散播(flooding)的模式，來減少非必要的廣播，以及競爭、碰撞等問題，但當數個不同繞徑協定模組同時都需要發出廣播封包時，還是會增加廣播風暴的風險。所以，我們提出一種避免廣播封包因多重繞徑協定而增加的管理方法，就是將不同協定的廣播封包組合起來，成為一個組合的封包列車 (packet train)。經過組合的封包，數量與原來單一繞徑協定所發出的信號封包(廣播至附近通訊範圍內的所有節點)相當。繞徑整合層的廣播封包列車(Integrated Broadcast Packet Train)的欄位格式如圖 3.8，表頭欄位(IBPT header)用來識別封包，另外還有一個欄位記錄組合封包的數量。其中任何不同類型的繞徑封包在封包列車裡，只能出現一次。. Routing packet 2. …. 學. ‧. ‧ 國. IBPT header. 治 Count of routing 政大立 Routing packet 1 packets. Nat. n. al. er. io. sit. y. 圖 3.8 整合式廣播封包列車(packet train)的格式。 Ch. n engchi U. iv. 來自不同模組的繞徑封包，當準備向外廣播之前，會先經過繞徑整合層，由繞徑整合層先放入一個佇列中，等待一段時間，讓其他繞徑封包若是在這段時間也需要廣播時，能被整裝在單一的封包列車，再一併發出。相關的演算法，如圖 3.9 中的虛擬碼所示，當繞徑模組將封包往下層傳送時，會先呼叫繞徑整合層的廣播封包處理流程(broadcast packet process)，該程序會搜尋目前在佇列裡，是否還有空位的封包列車，然後將封包封裝後，放入佇列中，並且為了讓佇列的長度不致拖延繞徑封包的時效性，我們設定 Max_IBPT 的值為 5，就是佇列當中最多只有 5 個等待中的繞徑封包列車。此外，模組中也有個計時器，用來對佇列裡的封包列車做處理，將封裝後的列車在一定的時間內傳送出去。為了讓繞徑封包能盡量具即時性，我們設定每 0.1 秒檢查封包佇列。. 30.

(43) NRP = new routing packet IBPT = integrated broadcast packet train BPTQ = broadcast packet train queue. // while receiving routing packet from routing module Procedure RMILReceiveRP argument: NRP If find first vacant IBPT in BPTQ Then Pack NRP in IBPT Else Pack NRP in new IBPT Append IBPT in BPTQ End if // pump BPTQ. ‧. ‧ 國. 學. 治大 || (number of BPTQ > While (first IBPT in BPTQ is政 not vacant) 立 Max_IBPT ) Remove first IBPT from BPTQ Send IBPT End while n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. n engchi U. iv. // periodically called by system timer Procedure CheckBPTQTimeout If LastBPTID == (ID of first IBPT in BPTQ) Remove first IBPT from BPTQ. Then. Send IBPT Else If BPTQ is not empty Then LastBPTID = (ID of first IBPT in BPTQ) Else LastBPTID = -1 End if End if 圖 3.9 廣播封包列車的處理程序。. 31.

(44) 收到封包列車後的節點，再根據廣播封包列車的表頭，將信號封包拆解，還原成各自的繞徑協定封包，再轉交由各資料模組來處理這些資料封包，如圖 3.10。. IBPT = integrated broadcast packet train RP = routing packet // while receiving incoming packet train Procedure NodeReceiveIBPT Receiving IBPT Next = Count of routing packet in IBPT While (Next > 0) Get next RP from IBPT Deliver RP to its routing module Next++ 政治大立. ‧ 國. 學. 圖 3.10 收到廣播封包列車後的處理程序。. ‧ er. io. sit. y. Nat. a. n. v. l C ni 3.5 繞徑模組整合層(Routing Module Layer) h e n g cIntegration hi U. 如前面 3.3.1 節所述，負責處理資料封包繞徑相關程序的單元，需要讓數個繞徑方法能同時運作，並且要能掌握其他網路單元的各種資訊，來選擇封包的路徑。為此目的，我們設計了一個整合的架構，稱為「繞徑模組整合層」(Routing Module Integration Layer)，來執行整個繞徑的機制。在這個架構中，各個繞徑方法可為獨立模組，維護各自的路徑資料或執行繞徑運算，如同單獨存在的情況，並協同多個繞徑模組處理封包，也必須將不同類型的繞徑封包做分派處理，交由各個繞徑協定模組來處理。而最重要的任務就是將收到資料封包依路徑選擇程序來決定轉送的節點，如圖 3.11。. 32.

(45) Network Layers of Node Application Layer Transport Layer. Routing Module Integration Layer Routing Module 1. .... 政治大. 學 Link Layer / MAC Layer. ‧. Nat. io. sit. y. Physical Layer. n. al. er. ‧ 國. 立. Routing Module 2. Ch. n engchi U. iv. 圖 3.11 繞徑整合層架構圖。. 至於繞徑整合層與其他模組之間的訊息，必須藉由一些事先定義的介面來處理，例如多數的繞徑模組內部會維護一個路徑資料表、封包的佇列(queue)，或是當繞徑模組更新路徑資料表時的訊息，可藉由設計一個介面來讓整合層取得相關的訊息，作為之後選擇繞徑方法的依據。同時，繞徑模組所發出的繞徑封包，也必須經由繞境整合層來做管理，才能轉交由下層原件來發送。另外為了能夠以跨階層的方式來運作整合層，整合層和其他的網路階層之間，也需要設計介面來溝通。例如取得資料連結層(link layer)的佇列大小，或是多重存取控制層(MAC)關於相鄰節點通訊狀況等等，都必須藉由事先定義的介面存取其他網路階層的相關資訊。相關的介面說明如圖 3.12。. 33.

(46) Routing Module Integration Layer Interface to upper layer Routing selection function. Routing protocol module 1. Routing protocol module 2. Packet processing function Interface to lower 治 (LL/MAC/PHY) 政 layer 大立. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 圖 3.12 繞徑模組整合層與各模組之間的整合介面。 Ch. n engchi U. iv. 此外關於 3.3.1 節與 3.3.3 節中所提到的資料封包管理等功能，也需要由整合層來處理，就是資料封包中關於繞徑模組表頭的傳送記錄欄位。這個欄位資料有兩個功能，其中一個是當整合層接收到需要被轉送的資料封包時，會先檢視該封包是以哪個繞徑路徑轉收來的，整合層便會以該繞徑路徑為優先來轉送資料封包。另一個功能則是若有封包在同個節點中，若因某個繞徑協定沒有適合的路徑，或路徑發生中斷，就必須標示不再考慮以該繞徑協定來傳送封包，避免重複錯誤嘗試。由於當目的端節點收到資料封包時，並不需要再交由繞徑層來處理此封包，此時節點就有可能交由其他封包分送單元(如 port de-mux)來處理，所以我們也必須對該單元來修改相關的程序，才能正確地將資料封包交由上層的應用層。. 34.

(47) 第四章模擬實驗與結果分析 4.1 模擬環境. 為瞭解我們所提出的架構在 VANET 上的傳輸效能，我們以 NS-2 網路實驗工具，搭配道路車輛移動的模擬工具 SUMO 及轉換車輛節點移動資料的工具 MOVE，來模擬真實. ‧ 國. 學. 的網路環境。我們選擇 AODV 和 GPSR 治政兩種繞徑協定，整合在我們的系統架構中，並大立與這兩種協定單獨使用的網路環境做比較。主要是因為這兩種方法分別為 topology-based. ‧. 及 position-based 兩種類別中最典型的代表。至於車輛移動模式的場景，我們也以兩種 y. Nat. sit. n. al. er. io. 不同型態的道路場景來搭配實驗。 Ch. n engchi U. iv. 4.1.1 道路車輛移動模擬工具 SUMO (Simulation of Urban MObility) 這套開放源始碼工具程式是由德國航太中心下的組織 Institute of Transportation Systems 所研發的。主要功能是模擬道路環境，以便研究者藉以觀察各類與車輛交通相關的問題。包括像是交通道路的規劃、交通設施的需求、交通環境汙染等問題，當然，網路通訊相關的問題，也屬於其應用範圍。. 以 SUMO 進行模擬實驗時，需要兩種資料數據，分別為交通路網資料(networks) 與車輛路徑行駛資料(routes)或稱行車資料。交通路網資料主要是以路段(edge)和銜接路段之間的路口節點(node)為主，並且可以詳盡地設定各路段的方向和車道(lane)數目、最高時速限制以及路段的特性(priority，如主幹道與支線的優先順序)。在路口節點的部分，. 35.

(48) 也可以描述各路段之間車道的銜接(如左右轉專用車道或直行車道)和模擬交叉路口的交通號誌等。SUMO 提供了相關的工具 netconvert，來協助使用者產生這些路網資料，包括手動輸入、依參數產生固定模式的路網，或以真實地理資訊系統的道路圖層來建立路網資料等。. 至於車輛路徑行駛資料，則是包含車輛特性的設定以及車輛行駛經過路段的記錄。車輛的設定包括長度、最高時速、加減速特性，以及跟車模式(car-following model)種類及其相關參數。至於車行路段資料，則同樣可以藉由 SUMO 提供的幾種工具如 duarouter、 dfrouter、jtrrouter 及 od2trips，來產生行車資料檔，包含手動輸入、隨機產生，以及根據輸入車輛的起訖點推算最短行駛路徑等。除此之外，SUMO 也提供了一個城市交通行. 政治大車活動的產生器 ActivityGen，協助產生大量的行車資料。該工具是依據 Activity-Based 立 ‧. ‧ 國. 學. Traffic Demand Model [25] 的模式，來計算車流量，可以讓使用者以實驗的路網資料為. sit. y. Nat. 背景範圍，輸入包括人口數、家戶數、自用車輛比例、失業率、上下班時間等參數，以 n. er. io. 及公共車輛的行駛路線，來模擬都會車輛行駛的狀況。藉由與 duaouter 搭配，可以在實 a iv l C hengchi Un. 驗中建立一個更接近於真實的車量移動模型，作為觀察 VANET 網路效能的實驗平台。. 在我們的實驗中，我們以 SUMO (版本 0.12.3)分別設計了兩種道路場景，第一種是模擬直線道路，全長 4000 公尺的雙向各三線道的高速公路(freeway)場景(最高時速為 110km/h)。我們將道路設計成由數個直線路段相連成的 S 形公路(如圖 4.1)。. 36.

(49) 政治大圖 4.1 模擬高速公路場景(freeway)。立 ‧. ‧ 國. 學 sit. y. Nat. 每個路段都超過 500 公尺，任兩段相鄰路段，連接夾角至少都大於 135°，這樣設計， n. er. io. 主要是便於觀察，同時又接近一般高速公路含有彎道的情況。為模擬行駛在高速公路的 a iv l C hengchi Un. 車輛，我們安排三種不同性能的車輛種類，分別依照出現的機率和不同的加速度，來模擬車流。在全程共 300 秒的時間內，我們在此場景以四種車流量來做個別模擬實驗，分別為 100、200、400 及 600 個車輛節點，陸續依亂數隨機安排在不同的車道上進入場景中，行駛中各種車輛會依設定的性能係數在道路上移動，同時車輛也會適時變換車道。我們另外安排兩個模擬資料傳送的車輛，對向行駛，在模擬開始後第 120 秒進入場景，這是為了讓已進入場景中的車輛能大致均勻的分布在道路上。進入場景後便開始單向傳送固定位元率資料封包(CBR)，用來觀察資料傳輸的狀況。此場景相關的設定如表 4.1。其中需要說明的是，由於 SUMO 並未清楚說明所採用跟車模式的詳細方法，而且關於駕駛的反應時間，也似乎由程式內定，所以我們只能決定車輛的加減速特性，以及一個與駕駛特性相關的參數，因無從得知該參數確實的意義，所以在實驗中一率使用 SUMO 預設的模型以及建議的設定值(sigma = 0.5)。 37.

(50) 表 4.1 高速公路場景車輛移動模擬參數。參數. 值. 道路全長. 4000m. 道路方向. 雙向. 單向車道. 3 線道. 車道時速限制. 110 km/h 4 種車流量測試:. 模擬車輛數. 1.. 共約 100 輛進出場景. 2.. 共約 200 輛進出場景. 共約 400 輛進出場景政治大立4. 共約 600 輛進出場景 3.. ‧ 國. 學 y. ‧. Nat. io. sit. 40% 90 km/h. er. 車輛速度. 20% 110 km/h. n. al. ni C h 80 km/h 40% i U e. v. ngch. 跟車模式. SUMO KrauÃ car following model. 車輛模擬時間. 300 seconds. 實驗車輛(來源端及目的模擬開始後第 120 秒至第 300 秒端)進入場景時間. 另外一個場景則為模擬市區的棋盤式道路(grid streets)，每個網格區段(block)為 200 公尺，所有路段皆為雙向雙車道，如圖 4.2。. 38.