以耐延遲車載網路方式，收集路況資訊與彙整時程評估 - 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. 以耐延遲車載網路方式，收集路況資訊與彙整時程評估. ‧. Gathering Road Traffic Information and Consolidating Travel Time. y. Nat. n. al. er. io. sit. Estimation using Vehicular Delay Tolerant Networks. Ch. engchi. i n U. v. 研究生：王林瀚指導教授：蔡子傑. 中華民國一百零三年一月 January 2014.

(2) 以耐延遲車載網路方式，收集路況資訊與彙整時程評估 Gathering Road Traffic Information and Consolidating Travel Time Estimation using Vehicular Delay Tolerant Networks. 研究生：王林瀚. Student ：Lin-Han Wang. 指導教授：蔡子傑. 立. Advisor：Tzu-Chieh Tsai 治政大. Nat. er. io. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. 國立政治大學資訊科學系碩士論文. A Thesis v i n submitted toC Department of Computer Science hengchi U National Chengchi University in partial fulfillment of the Requirements for the degree of Master in Computer Science. n. al. 中華民國一百零三年一月 Jan 2014.

(3) 以耐延遲車載網路方式，收集路況資訊與彙整時程評估. 摘要. 許多國家正面臨因嚴重的交通壅塞所帶來龐大的經濟損失，同樣在台灣也面臨相同問題，根本解決之道就是找出壅塞路段，並即時地告知車輛駕駛. 政治大. 以迴避此路段。因此如何有效率地偵測出壅塞路段，是當前重要的議題。. 立. 以往大多透過長期所累積的統計數據，針對各路段收集行駛於該路段所有. ‧ 國. 學. 車輛的平均速度，來獲得該路段的交通狀況，但卻無法立即反應即時路況。. ‧. 因此我們提出以耐延遲車載網路方式，收集路況資訊與彙整旅途時程，. y. Nat. er. io. sit. 透過具有全球定位系統(GPS)以及無線網路的車輛來進行路況交通資訊的收整與交換。再透過本研究所提出路況交通覺知路由協定(RTARP)，以. n. al. i n U. C. v. One-Hop Controlled Flooding h 的傳輸方式在節點與節點相遇時進行路況資訊 engchi 的傳送，進而交換節點彼此間各自所存放各路段的路況資訊。模擬實驗結果證明我們所提出的路由協定在路況交通資訊交換中，有效地減少網路傳輸負載、提高訊息送達成功率以及路況交通資訊(RTI)正確率。關鍵字：耐延遲網路、耐延遲車載網路、路況資訊. I.

(4) Gathering Road Traffic Information and Consolidating Travel Time Estimation using Vehicular Delay Tolerant Networks. Abstract Many countries are concerning about the huge economic losses caused by the critical traffic congestion. We have the same problem in Taiwan. The solutions. 政治大 to avoid that section. But how to detect the road section with traffic congestion 立. lie in finding the road section with traffic congestion first and informing drivers. ‧ 國. 學. effectively is the most important issue of this research. Conventionally, the real-time road traffic is mostly predicted by long-term accumulated statistics. ‧. calculated by the collection of the average speed of cars on the same road. sit. y. Nat. section. But this way can’t provide the real-time road traffic immediately.. io. er. Based on vehicles with GPS and the capability of WiFi, we proposed gathering road traffic information and consolidating travel time estimation using. al. n. v i n C h We also proposed vehicular delay tolerant networks. e n g c h i U the Road Traffic Awareness. Routing Protocol (RTARP) to exchange the road traffic information preserved individually by One-Hop Controlled Flooding during nodes’ encounter.. The results of simulations prove the routing protocol we proposed can effectively reduce the transmission overhead, improve the delivery ratio and the accuracy of the road traffic information. Keywords：Delay Tolerant Network, Vehicular Delay Tolerant Network, Road Traffic Information. II.

(5) 目錄第一章緒論 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究背景 ...................................................................................................................... 1 1.2 研究動機 ...................................................................................................................... 5 1.3 研究目的 ...................................................................................................................... 6 1.4 研究流程 ...................................................................................................................... 7 第二章相關研究 ...................................................................................................................... 8 2.1Opportunistic Protocol................................................................................................... 8 2.1.1 Epidemic Routing Protocol ............................................................................... 8 2.1.2 Spray and Wait Routing Protocol ...................................................................... 9 2.2 Prediction-based Protocol ............................................................................................. 9 2.2.1 Prophet Routing Protocol .................................................................................. 9 2.2.2 Geographical Opportunistic Routing ................................................................. 9 2.3 Scheduling Protocol...................................................................................................... 9 2.3.1 MF Routing Protocol ....................................................................................... 10 2.4 Road Traffic Related Protocol .................................................................................... 10 2.4.1 發起式車輛密度偵測(OVDD) ...................................................................... 10. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. al. er. io. sit. y. Nat. 第三章研究方法與系統架構 ................................................................................................ 12 3.1 研究方法 .................................................................................................................... 12 3.2 系統架構 .................................................................................................................... 12 3.2.1 路況交通覺知路由協定(RTARP) .................................................................. 12 3.2.2 訊息型態 ......................................................................................................... 13 3.2.2.1 Hello 訊息階段 .................................................................................... 13 3.2.2.2 Summary Vector 訊息階段 .................................................................. 14 3.2.2.3 Request 訊息階段 ................................................................................ 17 3.2.2.4 Reply 訊息階段.................................................................................... 20 3.2.3 路況交通資訊彙整流程 ................................................................................ 21 3.2.4 道路路況記錄的產生與維持 ........................................................................ 22. Ch. engchi. i n U. v. 第四章模擬實驗與結果分析 ................................................................................................ 24 4.1 效能評估 .................................................................................................................... 24 4.1.1 訊息送達率 ..................................................................................................... 24 4.1.2 傳輸負載 ......................................................................................................... 25 4.1.3 路況交通資訊平均交換數量 ......................................................................... 25 4.1.4 路況交通資訊正確率 ..................................................................................... 25 4.2 模擬設定 ................................................................................................................... 26 4.2.1 環境設定 ......................................................................................................... 28 III.

(6) 4.2.2 參數設定 ......................................................................................................... 29 4.2.3 系統畫面說明 ................................................................................................. 30 4.3 實驗結果 ................................................................................................................... 32 4.3.1 初始模擬結果 ................................................................................................. 32 4.3.2 傳輸距離之效能評估 ..................................................................................... 38 4.3.3 道路分割區塊大小之效能評估 ..................................................................... 42 第五章結論與未來展望 ........................................................................................................ 44 5.1 結論 ............................................................................................................................ 44 5.2 未來展望 .................................................................................................................... 45 第六章參考文獻 .................................................................................................................... 46. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. IV. i n U. v.

(7) 表目錄表 1：路況交通資訊表 .......................................................................................... 14 表 2：路況交通資訊摘要列表 .............................................................................. 15 表 3：道路識別代碼表 .......................................................................................... 29 表 4：1A 實驗模擬參數設定表 ............................................................................ 30 表 5：1B 初始實驗模擬參數設定表 .................................................................... 35. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. V. i n U. v.

(8) 圖目錄圖 1：GPS 導航系統與電子地圖............................................................................ 2 圖 2：Google Map 路況資訊圖 ............................................................................... 3 圖 3：研究流程 ........................................................................................................ 7 圖 4：路況交通覺知路由協定訊息交換流程示意圖 .......................................... 13 圖 5：Hello 訊息交換示意圖 ................................................................................ 14 圖 6：Summary Vector 訊息交換示意圖 .............................................................. 16 圖 7：Summary Vector 訊息重覆傳送示意圖 ...................................................... 17 圖 8：Summary Vector 訊息所需資訊過濾流程圖 .............................................. 17 圖 9：道路區塊編號示意圖 .................................................................................. 19 圖 10：Request 訊息交換示意圖 .......................................................................... 20 圖 11：Reply 訊息交換示意圖.............................................................................. 21 圖 12：路況交通資訊彙整流程示意圖 ................................................................ 21 圖 13：The ONE 模擬器環境架構圖.................................................................... 27 圖 14：The ONE 模擬器圖形化介面.................................................................... 27 圖 15：The ONE 模擬器地圖畫面........................................................................ 28 圖 16：The ONE 模擬器模擬期間畫面................................................................ 31 圖 17：Routing Info 視窗畫面 .............................................................................. 31 圖 18：1A 初始模擬結果-訊息送達率 ................................................................. 33 圖 19：1A 初始模擬結果-傳輸負載 ..................................................................... 33 圖 20：1A 初始模擬結果-路況交通資訊平均交換數量 ..................................... 34 圖 21：1A 初始模擬結果-路況交通資訊正確率 ................................................. 34 圖 22：1B 初始模擬結果-訊息送達率 ................................................................. 35 圖 23：1B 初始模擬結果-傳輸負載 ..................................................................... 36 圖 24：1B 初始模擬結果-路況交通資訊平均交換數量 ..................................... 36 圖 25：1B 初始模擬結果-路況交通資訊正確率 ................................................. 37 圖 26：傳輸距離-訊息送達率............................................................................... 39 圖 27：傳輸距離-傳輸負載................................................................................... 39 圖 28：傳輸距離-路況交通資訊平均交換數量................................................... 40 圖 29：傳輸距離 75m-路況交通資訊正確率 ...................................................... 40 圖 30：傳輸距離 100m-路況交通資訊正確率..................................................... 41 圖 31：傳輸距離 125m-路況交通資訊正確率..................................................... 41 圖 32：道路分割區塊大小-路況交通資訊平均交換數量(RTARP) ................... 42 圖 33：道路分割區塊大小-路況交通資訊正確率(RTARP 25 nodes) ................ 43 圖 34：道路分割區塊大小-路況交通資訊正確率(RTARP 50 nodes) ................ 43. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. VI. i n U. v.

(9) 第一章緒論 1.1 研究背景科技日益進步，而車輛也成為了人類日常生活中不可或缺的交通工具，不論是平日上下班通勤，或是假日出遊與購買生活必需品等，都需要仰賴車輛所帶來的便利性。但隨著人口急速地成長，有越來越多的人駕駛車輛，導致許多國家都開始面臨非常嚴重的交通壅塞問題，不但造成經濟上嚴重的損失，也產生許多時間上不必要的浪費。根據最新的. 治政研究結果指出[1]，美國在2011 年時，駕駛人員因為交通壅塞的主因，總計白白地耗費大立了29 億加崙的汽油以及55 億小時的駕駛延長時間，而其經濟損失總額更高達1210億美 ‧ 國. 學. 元(其中並未包括錯失重大會議以及較長運送時間所造成的成本損失)，同時也額外排放. ‧. 出560億磅的二氧化碳，造成環境的污染。因此，如何透過有效的方法來預先得知發生壅塞的路段，進而協助駕駛人員即時作出反應以迴避壅塞路段，減少經濟損失與環境污. y. Nat. io. sit. 染，正是各個國家十分關切的議題。. n. al. er. 近年來許多車輛已具備車用導航系統，甚至智慧型手機安裝電子地圖軟體(例如. Ch. i n U. v. Google Map等)後，透過全球衛星定位系統(Global Positioning System, GPS)以及電子地圖. engchi. (如圖1)，就可以幫助駕駛人員了解目前所在經緯度位置，再透過先前所記錄的位置座標，即可計算出車輛於當前行駛路段的行車速度以及方向。因此，車輛裝備車用導航系統後，如果能將這些交通資訊透過無線傳輸傳遞出去，以有效率且精確的方式進行彙整，也就可以讓駕駛人員得知目前各路段的交通路況。. 1.

(10) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 1：GPS 導航系統與電子地圖. ‧. 就台灣而言，目前的車用導航系統皆已結合調頻副載波即時交通資訊廣播. sit. y. Nat. (RDS-TMC)[2]，可接收警察廣播電台全省8個發射站以FM廣播所送出的數位路況訊息，. io. er. 其內容包含了全省23縣市、高快速公路、省道即時通報事件資訊、高快速公路壅塞(60. al. 公里/小時以下)速率資訊與天氣資訊等，因此當有發生重大事故時，便可透過既定好的. n. v i n Ch 事件對照表(Event table)與位置對照表(Location i U e n g c htable)，以告知所有車輛該路段路況相關訊息。另外Google Map也透過由第三方以及Android手機的使用者所分享的資料來顯示即時路況資訊(如圖2所示)。其中第三方的資料可能是由政府單位所提供的交通資訊，而 Android手機的使用者，只要開啟全球定位系統(GPS)以及無線傳輸功能(Wi-Fi、WiMAX 或3G等)後，並允許Google Map存取該手機的位置資訊，就可以將目前所在位置、速度及方向等資訊，分享給Google作運用，. 2.

(11) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 2：Google Map 路況資訊圖. ‧. 上述兩者皆可傳遞路況資訊，但調頻副載波即時交通資訊廣播(RDS-TMC)目前尚未. y. Nat. io. sit. 建置完全，其路況內容僅包含高速公路、快速道路及省道等重要道路路況，並無法普及. n. al. er. 至市區內所有道路，並且事件表內容某部分僅顯示事件名稱(如火燒車、車輛拋錨及施. Ch. i n U. v. 工等)，無法顯示該路段車速如何，也無法讓駕駛人員作為路徑是否需重新規劃的判斷. engchi. 依據。而Google Map可以顯示大量的即時路況資訊，但同時也需要大量的運算與網路資源，方能將如此龐大的路況資訊進行彙整，以供其他使用者進行運用。因此本研究利用車輛與車輛間相遇的機會，將彼此間所擁有的路況資訊內容以無線網路傳輸的方式進行交換，僅須利用車輛的網路傳輸資源以及運算資源，便可獲得準確的路況交通資訊。目前GPS導航系統均已具備無線網路的資料雙向傳輸能力，因此可藉由車間通訊系統(Inter-vehicle Communications)，將路況交通資訊在車輛與車輛(Vehicle-to-Vehicle, V2V)或車輛與道路系統之間(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)互相傳送[3, 4, 5]。而因為車輛一直保持在持續移動的狀態下，形成許多不連續的網路，因此無法以傳統連接性網路來 3.

(12) 進行通連，所以車間通訊系統的部分我們採用DTN(Delay-Tolerant Network)耐延遲網路技術，相較於傳統連接性網路而言，其差異在於來源端與目的地端節點間不具有固定以及完整的路由路徑，因此來源端與目的端兩者之間的資料傳遞，需經由中間節點間彼此的相遇來轉送資料，進而將資料送達目的地。耐延遲網路因節點間的高移動性、節點存在的不確定性、節點間連線建立偶然性等環境嚴苛的限制，採用儲存並轉送 (Store-And-Forward)的訊息傳輸機制，來對於封包遺失率、延遲率、錯誤發生率連結提供一個可接受的網路表現[6]。. 政治大. 目前DTN(Delay-Tolerant Network)耐延遲網路的應用如下：. 立. 外太空通訊(Outer space communication)：. 學. ‧ 國. 1.. 衛星傳輸是短期欲達成的目標，行星之間傳輸則為未來的長程目標，衛星傳輸在現今已經有一些可行的技術，而DTN容許長時間延遲和高錯誤機率的性質，適用於外太空. ‧. 傳輸。美國國家航空暨太空總署 (NASA) 已於2011年啟用的Inter Planetary Internet. Nat. sit. 戰區、災區的通訊網路(Battle filed networks)：. al. er. io. 2.. y. Project 就是這個應用的實際案例[7, 8]。. n. v i n Ch 以往Mobile Ad Hoc Network(MANET)的研究應用 e n g c h i U，常被設定在無建置基礎建設或基. 礎建設已遭受損壞的戰區、災區環境中，然而在這樣的環境下，由移動式節點所組成的許多互不相連的網路區塊，可能會因為移動式節點的移動性與無線傳輸範圍的限制等因素，造成不同的網路區塊之間無法互相通訊的情況，此時若能利用DTN節點的移動性，以及機會網路最重要的傳輸機制儲存並轉送(store-carry-forward)訊息交換機制，即能應用於戰區、災區環境[9, 10]。 3.. 開發中國家或偏遠地區網路傳輸(Developing Regions Networks)：開發中國家或偏遠地區的網路基礎建設通常未臻完善，勢必有許多地區的連外網路. 不發達，甚至是沒有網路可言，這時候DTN的作用和優勢就可以被突顯出來，雖不能提 4.

(13) 供即時的網路服務，但卻能提供這些地區價格相對較低，在這樣的應用環境下，成本、部署及功耗等問題就需要被考慮而且提供一定品質的網路服務，例如︰美國柏克萊大學所研究的Tier Project[11]，主要的研究目標就是要解決這些開發中國家或偏遠地區的網路通信問題。 4.. 野生動物追蹤(Wildlife Tracker)：野生動物的移動行為沒有固定路徑，僅能在特定地點找到牠們，例如水源、巢穴等，. 在這些野生動物的身上裝置省電、無須額外設定的GPS收發器後，研究人員便可藉由裝. 政治大. 置之間的資料交換資訊，來分析出野生動物的活動範圍、不同物種間的互動及遷徙等關. 立. 係，相關的研究如美國普林斯頓大學的ZebraNet Project[12, 13]。. ‧ 國. 學. 耐延遲車載網路(Vehicular Delay-Tolerant Networking-VDTN)為一種在DTN移動節點上的應用，藉由車輛間機會式的相遇來交換訊息，而耐延遲車載網路(VDTN)主要應. ‧. 用在交通狀況監控、碰撞避免偵測、緊急訊息的傳播等，因此透過耐延遲車載網路. Nat. sit. y. (VDTN)，就可讓行動節點(車輛)間攜帶與交換訊息。. n. al. er. io. 而本研究主要探討在一般市區地域內，透過本研究所提出的路況交通覺知路由協定. i n U. v. (Road Traffic Awareness Routing Protocol-RTARP)，讓車輛節點以有效率的方式進行路況交通資訊的交換。. Ch. engchi. 1.2 研究動機本文欲探討的環境是在市區中透過車輛所組成的移動節點來進行路況交通資訊的傳送，採用One-Hop Controlled Flooding Protocol的方式來傳送路況交通訊息給傳輸範圍內的其他車輛，並不再透過其他節點進行轉送，以控制訊息的傳送數量，另外利用機會路由協定的優勢及特性，設計出在市區中以耐延遲車載網路為基礎之路況交通資訊交換模式，也就是路況交通覺知路由協定(Road Traffic Awareness Routing ProtocolRTARP)。最後以模擬實驗的方式來對訊息送達率、網路傳輸負載、路況交通資訊(Road 5.

(14) Traffic Information-RTI)平均交換數量以及路況交通資訊的正確率進行分析。. 1.3 研究目的本文欲研究建立一個以耐延遲車載網路(VDTN)為基礎的路況交通資訊交換模式，藉由全球定位系統(GPS)所獲得的行車速度以及路段等資訊，在車輛與車輛相遇時進行所需路況資訊的交換，同時將所接收到的路況交通資訊進行整合，以便讓駕駛人員獲得當前各路段準確的路況交通狀態。. 治政透過建立路況交通資訊交換的流程，並依據各交換流程下不同的條件判斷進行所需大立路況交通資訊的獲得與整合。我們的實驗結果顯示路況交通覺知路由協定(RTARP)在耐 ‧ 國. 學. 延遲車載網路(VDTN)中進行路況交通資訊交換時，能有效減少網路的傳輸負載，並增. ‧. 加路況交通資訊(RTI)的數量與準確率。. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 6. i n U. v.

(15) 1.4 研究流程研究背景與動機. Epidemic Routing Protocol. Opportunistic Protocol. 研究目的. Spray and Wait Routing Protocol. Prediction-based Protocol. 相關研究. 立. 研究方法與系統架構. Prophet Routing Protocol. 政治大 Scheduling. Geographical Opportunistic Routing Protocol. Protocol. ‧. ‧ 國. 學. 模擬實驗與結果分析. y. Nat. Road Traffic Related Protocol. n. er. io. sit. 結論與未來展望. al. Ch. engchi. i n U. 圖 3：研究流程. 7. MF Routing Protocol. v. Origination-based Vehicle Density Detection (OVDD).

(16) 第二章相關研究耐延遲網路 (Delay-Tolerant Network - DTN)為不連續的移動網路，在訊息傳遞的過程中無法保證有固定的傳輸路徑存在，因此許多專家、學者針對這種網路特性進行研究並提出適合此網路的傳輸路由協定(Routing Protocol)，本章節中將針對不同的路由協定進行研究、分析與討論。目前DTN網路中常見的傳輸路由協定(Routing Protocol)大致分類如下，依據不同的. 政治大. 種類及特性可區分為機會路由(Opportunistic Protocols)、基於預測路由(Prediction-based. 立. Protocols)及調度路由(Scheduling Protocols)等3個面向來討論。. ‧ 國. 學. 2.1Opportunistic Protocol. ‧. 機會路由協定訊息傳送機制為當節點相遇時，不計算和預測節點的訊息送達率或相. Nat. sit. y. 遇機率等資訊，也不判斷那一個節點是較佳的傳輸節點，而是在節點相遇時即傳送訊. n. al. er. io. 息，故此種路由方式並不需知整個網路的拓樸即可順利的運作，但此類的路由協定被動. i n U. v. 等待機會傳送訊息，在不考量緩衝區的容量大小的情況下，則資料傳送率有顯著效能，. Ch. engchi. 但當網路規模擴大時，此路由協定將耗費更大的系統資源及更多的網路負載。相關路由協定如下：. 2.1.1 Epidemic Routing Protocol Epidemic 路由協定是 DTN 網路中最早提出的路由協定，當節點相遇時傳送給未知的節點，直到訊息傳送到目的地。此種像洪水般傳送給每個節點，將迅速消耗緩衝區空間，但如果在不考量緩衝區大小與所需時間的情況下，Epidemic 路由協定則具有較高的訊息送達率[14]。. 8.

(17) 2.1.2 Spray and Wait Routing Protocol Spray 路由協定為 Epidemic 路由協定的改良版。Spray 路由協定控制每個訊息的最大可複製的傳送量，相較於 Epidemic 路由協定未限制每一訊息複製的傳送量，在網路中可有效減少並避免過多訊息傳送，避免網路負載[15]。. 2.2 Prediction-based Protocol 基於預測路由協定，在傳送訊息之前會先預測哪些節點是較佳的訊息傳送節點而傳. 政治大. 送訊息。節點會依據與其他節點的相遇歷史次數、歷史行走的模式、衛星定位服務(Global. 立. Positioning System)或節點剩餘的電池壽命等資訊計算哪些節點具有較高的訊息送達率. ‧ 國. 學. 可將訊息傳送到目的地，而此類的路由協定需要較多節點的位置關係與部分的網路拓樸來計算節點送達機率，故當網路節點增多時，將影響計算的效能而導致更複雜化，故在. ‧. 系統初期將 slow-start 問題而影響節點在城市中的效能。常見的路由協定如下：. sit. y. Nat. n. al. er. io. 2.2.1 Prophet Routing Protocol. i n U. v. Prophet 路由協定是一種概率路由協定，依據節點的歷史相遇次數計算傳送的機. Ch. engchi. 率，依據相遇機率得知每個節點及相遇節點到達目的地的機率[16]。. 2.2.2 Geographical Opportunistic Routing Geographical Opportunistic 路由協定是透過全球定位系統(GPS)所傳入的座標位置資訊，來預測欲傳達目的地的訊息需透過那些節點進行轉送，才有較高的機率傳達至目的地[17]。. 2.3 Scheduling Protocol 調度路由協定依據某些節點移動固定的路線，使用儲存及攜帶(Store-and-Carry)增加 9.

(18) 訊息送達率，而此類路由協定主要利用運送節點行走固定的路線傳送訊息，而運送節點的緩衝區大小將需被考量，因緩衝區的容量不可能為無限制性的，因此該類路由協定多應用於節點稀疏的網路環境。常見的路由協定為：. 2.3.1 MF Routing Protocol MF 路由協定利用網路中的運送節點(Ferry Node)，此節點具有特定的移動路徑，並專門從來源端獲取訊息並將訊息傳送至目的地，而不將訊息送給其他的節點。因網路中. 政治大. 的訊息傳送皆需藉由特定的運送節點傳送，故運送節點行走的規律路徑，及節點的緩衝. 立. 區大小則為需注意的資源。利用運送節點的特定移動路徑，可提高訊息的傳送率，並減. ‧ 國. 學. 少節點的電力耗損問題[18]。. ‧. 2.4 Road Traffic Related Protocol. Nat. sit. y. 另外在車載網路(Vehicle Ad-hoc Network –VANET)方面，為了能讓資訊傳遞到遠方. n. al. er. io. 的其他車輛，目前已有許多有關車間通訊(Inter-Vehicle Communications)的研究，透過車. i n U. v. 間通訊協定(Inter-Vehicle Communication Protocol)，以車輛對車輛(Vehicle-to-Vehicle,. Ch. engchi. V2V)或是車輛對道路系統(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)的方式，將交通路況資訊進行傳送。另外也有透過無線網路基地台的通訊方式(如 WiMAX 與 3G)，將交通資訊回傳到交通管理中心(Traffic Management Center, TMC)，而交通管理中心會合併所有道路的交通資訊，並且利用無線網路基地台的通訊方式，將資訊廣播到所有車輛。以下為相關協定：. 2.4.1 發起式車輛密度偵測(OVDD) 發起式車輛密度偵測(Origination-based Vehicle Density Detection-OVDD)會週期性地利用車間通訊系統(Inter-Vehicle Communications)進行訊息的廣播，而接收到此訊息的 10.

(19) 節點便會回報或報數，而廣播訊息的傳輸範圍是固定的，因此透過回報的數量來判斷目前該車輛所在行駛之道路上，求出車輛密度，進而透過該研究所提出的公式推算出該道路目前平均速度為多少[19]。本研究欲探討為在一般市區地域內以耐延遲車載網路的方式，進行路況資訊的收集與旅途時程彙整，然而現存的路由協定中仍存在些許不足，像機會路由協定雖然可以將路況交通訊息持續不斷地發送給所有節點，但若不針對訊息傳遞的數量及範圍作管控的話，勢必造成整體網路充斥過多的路況交通訊息，最後當緩衝區記憶體都塞滿時，必定. 政治大. 無法再進行路況交通資訊的交換；而基於預測路由協定，是針對可將該訊息傳送到目的. 立. 地的節點清單中，挑選具有較高可能性的節點來進行傳送，因此需要先期資料的收整與. ‧ 國. 學. 計算，目前本類協定中未有針對節點是否需要該路況交通資訊的可能性做判斷與轉送的相關協定；再來就是調度協定，因所有車輛的行經路線並非固定路線，無法判斷該車輛. ‧. 是否會經過某個定點或遭遇到某個特定節點，因此無法保證該路況資訊是否能傳遞到目. Nat. sit. y. 的地；最後是發起式車輛密度偵測(OVDD)僅能針對車輛所在區域進行偵測，無法得到. al. n. 時間較長。. er. io. 全盤的交通路況，並且在特殊情況下所得到的平均車速可能有失準現象，另外所耗費的. Ch. engchi. i n U. v. 因此本研究以機會路由協定作為基礎，提出路況交通覺知路由協定(RTARP)；而機會路由協定的困難點在於如何減少網路傳輸負載，提高訊息的送達率，而本協定利用車輛與車輛彼此間相遇的機會，以 One-Hop Controlled Flooding 的方式，限制訊息的傳遞範圍，將車輛與車輛間各自所存放的路況交通資訊進行交換，再以有效的方式進行資訊彙整，進而使駕駛人員獲得正確的路況交通資訊。. 11.

(20) 第三章研究方法與系統架構 3.1 研究方法本研究方法主要為利用搭載全球定位系統(GPS)以及無線網路(WiFi)傳輸設備的車輛來進行資料的傳送，在車輛與車輛彼此間相遇時，透過本研究所提出的「路況交通覺知路由協定」(Road Traffic Awareness Routing Protocol - RTARP)交換所需的路況交通資訊，訊息交換期間會依序透過不同的訊息型態來進行，同時也會透過該協定內部所訂定之規則. 政治大. 進行篩選，並於路況交通資訊交換完畢後，以該資訊的所建立的時間與行車速度為依據. 立. 來進行路況交通資訊的更新，使車輛駕駛人員可以獲得更為準確的路況交通資訊，以供. ‧ 國. ‧. 3.2 系統架構. 學. 後續規劃到達目的地的最佳時程旅途路徑。. Nat. sit. y. 3.2.1 路況交通覺知路由協定(RTARP). al. er. io. 路況交通覺知路由協定 (RTARP) 主要是以機會式路由協定為基礎，採用類似. v. n. Epidemic Routing 的交換模式，而差異在於 Epidemic Routing 會將訊息感染給所有遭遇. Ch. engchi. i n U. 到的節點，並且在其他的節點再往外進行感染的動作，直到該訊息傳遞至目的端為止；而本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)則是將訊息 flooding 的範圍控制在單一節點間(One-Hop)，透過這種方式來減少路況交通資訊於網路中傳遞的數量與負載 (Overhead)，減少網路頻寬資源的耗費，接著再依序透過不同的訊息型態(如圖 4)來進行路況交通資訊的交換與篩選，後續將一一詳細說明。. 12.

(21) 1. 1 Hello Message立. ‧ 國. 3. 4. 政治大. 2 Summary Vector Message. 學. 3 Request Message. 2. 4 Reply Message. er. io. sit. y. Nat. 3.2.2 訊息型態. ‧. 圖 4：路況交通覺知路由協定訊息交換流程示意圖. 路況交通覺知路由協定(Road Traffic Awareness Routing Protocol-RTARP)是透過. al. n. v i n C h及 Reply 等 4 種訊息型態完成路況交通資訊的交換， Hello、Summary Vector、Request engchi U 以下將針對各訊息型態一一做詳細說明：. 3.2.2.1 Hello 訊息階段一開始網路內所有的車輛都無法得知在無線網路傳輸範圍內是否有其他節點的存在，因此會透過週期性地廣播 Hello 訊息(目前系統預設為 1 秒)，告知其他節點現在這個範圍內有可以提供路況交通資訊的節點存在，當有任何其他車輛行駛至該節點傳輸範圍內時，立即會接收到 Hello 訊息。如圖 5 所示，車輛 A 與車輛 B 皆位於彼此可傳輸的範圍內，因此皆可接受到對方所傳遞的 Hello 訊息，便可立即進行下一個訊息交換階段。. 13.

(22) Hello Packet Car B. Car A Hello Packet. 政治大Transmission Range. 立圖 5：Hello 訊息交換示意圖. ‧ 國. 學. 3.2.2.2 Summary Vector 訊息階段. ‧. 當接收到其他節點所傳遞的 Hello 訊息之後，即代表目前在無線網路傳輸範圍內有. sit. y. Nat. 可交換路況交通資訊的節點，因此該節點會立即檢視目前路況交通資訊表內的所有內容. io. er. (如表 1)，其中 Road ID 代表道路名稱，Created Time 代表該筆資訊建立的時間，Speed. al. n. 代表該條道路的行車速度，Last Updater 代表最後一次更新該筆資訊的節點名稱，. i n C TTL(Time-To-Live)則是代表該筆資訊可保留的時間。 hengchi U. v. 表 1：路況交通資訊表 Road ID. Created Time. Speed. Last Updater. TTL. R1394A. 68.0. 14.93351. c23. 3600. R1477B. 104.0. 2.77132. c44. 3600. R3109B. 255.0. 15.64234. c36. 3600. R4001A. 588.0. 16.18725. c11. 3600. 14.

(23) 接著會針對表內最近 15 分鐘內所更新的道路路況交通資訊進行摘要，摘要回報的欄位包含道路名稱(Road ID)、資訊建立時間(Created Time)以及最後一次更新的節點名稱 (Last Updater)，將這些欄位資訊取出後，建立出路況交通資訊摘要列表(如表 2)，以簡要地告知其他節點目前該節點最近 10 分鐘內有更新的路況交通資訊。. 表 2：路況交通資訊摘要列表 Message ID List. 政治大 64.0-R1033A-c0. (Created Time-Road ID-Last Updater). 立. 學. ‧ 國. 77.0-R2001B-c17 89.0-R98B-c19. ‧ y. Nat. io. sit. 最後再將路況交通資訊摘要列表以 Summary Vector 訊息型態進行封裝，傳遞至位於. n. al. er. 無線網路傳輸範圍內的其他節點(如圖 6)，其他節點即可針對該封包內容進行檢視，篩選所需路況交通資訊內容。. Ch. engchi. 15. i n U. v.

(24) Car B SV Packet Message ID List Message ID List 37.0-R197A-c11-. 37.0-R197A-c11. … ‧‧‧. SV Packet. 111.0-R2301B-c17-3.27642. 111.0-R2301B-c17. Message ID List. 64.0-R1033A-c0. 64.0-R1033A-c0. …. 學. 89.0-R76B-c19-2.77354. 135.0-R3018A-c36. Transmission Range. ‧. ‧ 國. Message ID List ‧‧‧. 立. 政Car A治大. 圖 6：Summary Vector 訊息交換示意圖. io. sit. y. Nat. n. al. er. 同時為避免位於同條道路的車輛，因行進方向相同及行車速度相近，而不斷重覆地. Ch. i n U. v. 交換相同的路況交通資訊(如圖 7)，造成網路頻寬資源的耗費，因此系統設定 Summary. engchi. Vector 訊息於固定時間間隔內(預設為 3 秒)，不再發送給前次已完成接收 Summary Vector 訊息之節點，以節省網路頻寬資源。. 16.

(25) Car B SV Packets. Car B SV Packets. Car A. Car A. 政治大 Transmission Range. 立. (2). 圖 7：Summary Vector 訊息重覆傳送示意圖. 學. ‧ 國. (1). ‧. 3.2.2.3 Request 訊息階段. 當接收到其他節點所傳遞的 Summary Vector 訊息後，該節點便會開始一筆筆地檢視. y. Nat. io. sit. 存放於該訊息內路況交通資訊摘要，並透過如圖 8 所示的規則表來進行過濾，篩選出該. n. al. er. 節點所需要的路況交通資訊。. 檢視SV 封包內容. Ch. e n是否已 gchi 有該道. 否. 是否為當前所行駛之道路? 是. 否. 是否先前已接收過該筆資訊?. 路相關路況資訊?. i n U 否. v. 新增該筆路況資訊道路所在區塊編號至REQ封包是. 是. 是否該筆資訊建立時間較新?. 是. 濾除該筆資訊. 否. 圖 8：Summary Vector 訊息所需資訊過濾流程圖. 17.

(26) 首先會檢視 Summary Vector 封包內的路況交通資訊摘要是否為該節點現在所正行駛道路之路況資訊，因為該道路路況交通資訊應以節點自身為主，不應受其他節點所傳遞之路況交通資訊所影響；接下來再檢視是否為先前所接收過的路況交通資訊，透過訊息的識別碼(ID)是否相同來判斷，藉以過濾從其他節點所傳來且先前已接收過之路況交通訊息；再來就是檢視先前有接收過該條道路的路況資訊，若先前無接收過該道路路況資訊，則新增至 Request 訊息中所需路況交通資訊列表內，倘若已有該條道路路況資訊，則須再完成以下判斷。. 政治大. 接著再檢視該道路路況摘要資訊所記錄之更新時間與節點自身所存放該筆道路路. 立. 況記錄之更新時間做比較，若前者較大，代表所接收的路況交通資訊較新，也就代表該. ‧ 國. 學. 節點針對該道路所在區塊內的道路路況資訊最近有經過更新的可能性，因此便將該道路於地圖上所座落的區塊編號寫入 Request 訊息中，而道路區塊的編號是將所有道路的座. ‧. 標(如圖 9 所示)，以 100m X 100m 為單位進行切割，例如某條道路的起始座標是. Nat. sit. y. (3510,2020)，結束座標是(3620,2050)，所以該道路所座落的區塊編號包含(36,21)及. al. n. 路路況資訊。. er. io. (37,21)；若為後者較大，則代表目前節點自身所存放路況資訊較新，因此無須交換該道. Ch. engchi. 18. i n U. v.

(27) 4500m. 100m 100m (1,1). (2,1). (1,2) 3400m. 立. 政治大. (45,33). ‧ 國. 學. (44,34) (45,34). 圖 9：道路區塊編號示意圖. ‧. Nat. sit. y. 完成以上流程判斷後，即完成所需路況交通資訊區塊列表的建立，因此便可透過. n. al. er. io. Request 訊息傳遞給 Summary Vector 訊息的來源節點(如圖 10)，進而取得所需區塊編號. i n U. v. 內所有道路路況交通資訊，透過此種方式可大幅度地減少過多資訊更新時間較舊或不必. Ch. engchi. 要的路況交通資訊，同時也可以節省網路頻寬資源與減少網路傳輸負載。. 19.

(28) Car B. Block Number List. REQ Packet. REQ Packet. (2,3). Block Number List. …. 立. (20,15). 政治大 Car A. …. (30,33). (31,17). Nat. sit. y. ‧. ‧ 國. 學圖 10：Request 訊息交換示意圖. Transmission Range. 3.2.2.4 Reply 訊息階段. io. n. al. er. 最後當節點收到對方所傳遞的 Request 訊息時，則會依據 Request 訊息內所存放的. Ch. i n U. v. 路況交通資訊區塊列表進行所需資訊的收整，建立路況交通資訊列表，每筆路況資訊皆. engchi. 依據表 2 內所列欄位進行建立。完成路況交通資訊列表的建立後，立即以 Reply 訊息傳遞出去(如圖 11)，而接收到 Reply 訊息的節點則可進行路況交通資訊的彙整，讓駕駛人員能立即得到最新的路況交通資訊。. 20.

(29) Car B Reply Packet Road Traffic Information List 68.0. R788B. 255.0. 14.93351. c23. 3600. c36. 3600. …. R1394A. 15.64234. Road Traffic Information List. 立. R845B. 77.0. R123A. 666.0. 10.98632. c17. 3600. c9. 3600. …. Reply Packet. Car A. 政治大. 13.71982. Transmission Range. ‧ 國. 學. 圖 11：Reply 訊息交換示意圖. ‧. 3.2.3 路況交通資訊彙整流程. y. Nat. 當上述路況交通資訊依序透過 Hello、Summary Vector、Request 及 Reply 等 4 種訊. er. io. sit. 息成功地完成交換後，各個節點便會針對所收到 Reply 訊息的資料內容進行解讀，將訊息中存放的完整路況交通資訊列表與本身存放的路況交通資訊記錄表作整合，整合的方. al. n. v i n Ch 式則是透過圖 12 所示的路況交通資訊彙整流程示意圖來進行。 engchi U. 圖 12：路況交通資訊彙整流程示意圖 21.

(30) 首先將所接收到的 Reply 訊息進行解讀，接著先檢視節點本身是否已存有該條道路路況資訊的記錄，倘若該記錄不存在，則新增該筆路況資訊於路況交通資訊記錄表內；若該筆記錄已存在於路況交通資訊記錄表內，則檢視接收的道路路況資訊是否較新，若為較舊的道路路況資訊，則將其刪除；若為較新的道路路況資訊，則將其速度欄位取出，與現存的記錄相比較，如果大於 1/2 以上，立即以新道路路況資訊的速度替換原有記錄，而這個方式的主要目的是為了在道路發生嚴重壅塞時，位於現場的節點能立即地告知以及更新其他節點所存放的相關記錄，使駕駛人員能獲得即時且正確的路況交通資訊，以. 政治大. 便後續作路線重新規劃迴避該壅塞路段。若速度差異未達 1/2 以上時，即代表無發生任. 立. 何嚴重壅塞，所有的路況資訊則會採取本研究所提出的時間與速度彙整公式來進行更. ‧ 國. 學. 新，詳細公式如下：. sit. y. ‧. io. 代表經彙整後之路況交通資訊行車速度，代表所接收路況交. n. al. er. Nat. 其中. i n U. v. 通資訊與節點自身所記錄路況交通資訊之更新時間差距(以秒為單位)，. Ch. engchi. 代表所接收路況交通資訊的平均行車速度，. 則是代表節點自身所記錄路. 況交通資訊的平均行車速度，透過這個公式，可有效地彙整所接收路況交通資訊，並且當路況交通資訊更新時間差距過大時，較新的路況交通資訊比重會遠高於舊的路況交通資訊，加速資訊更新的速度。. 3.2.4 道路路況記錄的產生與維持當車輛行駛於道路時，即可透過 GPS 全球定位系統來獲得當前所在經緯度位置，再透過導航系統所記錄的座標歷史資訊與電子地圖，便可得知目前該台車輛所在道路，同時也可以計算出當前行車速度，再將這些資訊儲存於路況交通資訊表內，便可透過路 22.

(31) 況交通資訊表得到正確的道路路況資訊，另外系統也同時設有 TTL 欄位，透過該欄位即可刪除存放時間過久的道路路況記錄(系統預設為 30 分鐘，也就是 1800 秒)，一方面可以提高節點本身路況交通資訊表所存放記錄的正確性，同時也可避免將該筆陳舊資訊傳遞給其他節點，造成其他節點後續作路徑規劃產生錯誤的判斷。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. 23. i n U. v.

(32) 第四章模擬實驗與結果分析在本章節中我們將說明模擬實驗的各項設定，並針對模擬實驗結果進行分析與解釋。我們利用 THE ONE V1.4.1(Opportunistic Network Environment)模擬軟體評估我們提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)於路況交通資訊交換的網路效能。. 4.1 效能評估. 政治大. 本研究的最主要目的，就是希望能在節點高移動性、節點間連線建立的偶然性環境. 立. 嚴苛限制以及網路拓樸變動快速的環境下，依舊可以達到最佳的訊息成功傳送率、最小. ‧ 國. 學. 的網路負載以及路況交通資訊(RTI)最大的交換量與最高的正確率。因此在效能評估方面，我們透過以下 4 個度量面做為評比項目：訊息送達率(Delivery Ratio). . 傳輸負載(Transmission Overhead). . 路況交通資訊平均交換數量(Average Exchanged RTI Number). . 路況交通資訊正確率(RTI Accuracy). ‧. . n. engchi. er. io. 4.1.1 訊息送達率. Ch. sit. y. Nat. al. i n U. v. 訊息送達率(Delivery Ratio)的計算公式如下：. 其中 Delivered Packets 代表所有成功地由來源端傳遞並且被目的端接收的封包數量，而 Created Packets 則代表傳輸過程中所產生的封包數量。. 24.

(33) 4.1.2 傳輸負載傳輸負載(Transmission Overhead)的計算公式如下：. 其中 Created Packets 代表傳輸過程中所產生的封包數量，而 Delivered Packets 代表所有成功地由來源端傳遞並且被目的端接收的封包數量，將兩者相減後，即可得出封包被轉送的次數。. 政治大 4.1.3 路況交通資訊平均交換數量立透過系統每 10 秒(ti)去收整所有節點本身存有之路況交通資訊表內的道路路況資訊. ‧ 國. 學. 數量(不包含系統 Warm-Up 的時間)，並計算出其數量總和後的平均值(AVG RTI NUM)，. ‧. 最後再將道路路況資訊數量平均值全部加總後再取出平均值，即求出路況交通資訊平均交換數量(Average Exchanged RTI Number)，下列為計算公式：. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. 4.1.4 路況交通資訊正確率. engchi. i n U. v. 透過系統每 10 秒將各個節點所存放之路況交通資訊表的內容與當前路況做比對，分別對行車速度相差在 2%、4%、6%、8%以及 10%以內做記錄，亦即代表準確率必須在 98%、96%、94%、92%與 90%以上才算正確，最後將正確的數量(Correct Speed Comparison Number)除以總數量(Total Number)，即求出路況交通資訊正確率(RTI Accuracy)，下列為計算公式：. 25.

(34) 我們評估本研究所提出的路況交通覺知路由協定(Road Traffic Awareness Routing Protocol - RTARP)之外，同時亦和 Epidemic Routing Protocol 與 Spray and Wait Routing Protocol 進行評比比較。Epidemic Routing Protocol 以及 Spray and Wait Routing Protocol 皆具有訊息複製與廣播傳送的特性，將訊息傳送給相遇的每一個節點，因此通常造成較高的網路負載。. 4.2 模擬設定. 治政我們的模擬實驗軟體為 The ONE(Opportunistic Network 大 Environment) Simulator，版立本採用 1.4.1 版，該軟體主要是由芬蘭的 Nokia 研究中心所支援的 SINDTN 與 CATDTN ‧ 國. 學. 計畫、芬蘭科學院(Academy of Finland)的 RESMAN 與 PDP 計畫以及歐洲技術學會資訊. ‧. 通信技術實驗組織的支持下共同發展而成，專門為耐延遲網路(DTN)相關的路由協定 (Routing Protocols)與應用程式(Applications)所設計，允許使用者可以透過多樣複雜的節. y. Nat. io. sit. 點運動模組(Movement Model)與已建置路由交換與應用程式的環境架構，來建立相關模. n. al. er. 擬實驗，並且提供互動式圖像化與後置處理工具以支援實驗的評估，同時也提供讓 The. Ch. i n U. v. ONE 模擬成為真實環境下 DTN 測試平台一部分的模擬方法。. engchi. 軟體的部分是由 Java 所撰寫而成，提供運動模組(Movement Model)模擬節點移動的行為模式，事件產生器(Event Generator)依使用者需求於模擬過程產生不同事件，圖形化介面與模擬結果模組(Visualization and Results)則是將節點的移動資訊與路徑、事件的發生、封包的傳遞等資料顯示於圖形畫面，最後路由模組(Routing Model)則是提供不同的耐延遲網路路由協定(DTN Routing Protocols)供使用者進行模擬，完整架構及圖形化介面如圖 13 及圖 14 所示。. 26.

(35) 政治大. 立圖 13：The ONE 模擬器環境架構圖 ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 14：The ONE 模擬器圖形化介面. 27.

(36) 4.2.1 環境設定我們建構一個以地圖為基礎的模擬環境，使用的模擬城市為 The ONE 軟體內建的芬蘭首都赫爾辛基 Helsinki，其地圖大小為 4500 公尺乘以 3400 公尺(如圖 15)。而所有的車輛都必須行駛在地圖中所規範的道路內，同時道路的識別代碼也會在 The ONE 模擬器開始進行模擬前完成編碼(如表 3)，總計共有 4219 條道路，其中數字相同代表為同一條道路，另外 A、B 代表該條為雙向道路去與回的差異。. 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 15：The ONE 模擬器地圖畫面. 28.

(37) 表 3：道路識別代碼表道路代碼 R1A. X 軸座標(起點) 1958.55. Y 軸座標(起點) 704.24. X 軸座標(終點) 1954.40. Y 軸座標(終點) 723.23. R1B. 1954.40. 723.23. 1958.55. 704.24. R2A. 1958.55. 704.24. 1931.72. 650.47. R2B. 1931.72. 650.47. 1958.55. 704.24. …. …. …. …. …. R2315A. 3269.29. 2063.80. 3290.031. 2067.18. 政治大在 The ONE 模擬軟體中，我們僅建立汽車單一種節點。我們設定汽車節點其行走立. 4.2.2 參數設定. ‧ 國. 學. 路線為隨機不規則且具有路徑規劃能力，一旦到達目的地後，便會再隨機挑選地圖上的任一個座標點當作新的目的地，並重複如此動作會直到模擬時間結束為止，並且每秒會. ‧. 將目前所在道路與當前行車速度存入路況交通資訊表中，以便進行交換；其次，雖然汽. sit. y. Nat. 車的行駛路線為隨機且不規則的路徑，但會依據行駛路徑距離長短的考量來挑選距離目. er. io. 的地最短的路線來行駛。. al. v i n Ch Wait Routing Protocol 以及本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)皆需要準 engchi U n. 系統整體模擬時間設定為 7200 秒，但因初始 Epidemic Routing Protocol、Spray and. 備時間(warm up time)以完成初步的路況資訊交通的交換，為了公平起見，我們設定準備時間為 1800 秒，而在這 1800 秒內所有度量因素皆不列入評比考量。此外，我們汽車節點數量設定為 25 輛，汽車行駛速度為每小時 10 至 60 公里，訊息緩衝區大小為 5MB，傳輸速率為 5Mbps 以及傳輸距離為 100 公尺。詳細的實驗模擬參數設定如下表 4 所示：. 29.

(38) 表 4：1A 實驗模擬參數設定表 Parameter Area. Settings 4500m* 3400m. Simulation Time. 7200 sec. Warm Up Time. 1800 sec. Number of cars. 25. Data Rate. 5Mbps. Radio Range. 100m. Interval of message creation 1 sec. 政治 5M大 10~60 km/h. Car Buffer size. 立. Events.hosts. 25. Time To Live. 1800 sec. Block Size. 100m * 100m. 學 ‧. ‧ 國. Car speed. Nat. sit. y. 4.2.3 系統畫面說明. n. al. er. io. The ONE 模擬軟體模擬期間畫面如圖 16 所示，系統操作介面主要分為三個部分：. i n U. v. 上半部視窗顯示所有節點的移動路徑與路線，藍色文字及圓點符號分別為節點名稱與節. Ch. engchi. 點位置、綠色圓圈代表傳輸距離、紅色不規則曲線代表移動路徑，黑色實線代表節點間已建立連線，而上方工具列則可依需求調整畫面顯示更新頻率；下半部視窗左方可設定是否顯示該事件，中間部分則是顯示事件資訊；視窗右方則顯示目前模擬環境所有節點名稱，可依需求點選所需檢視之節點選項，進行更詳細的分析，而當點選完節點後，再點選視窗中間的”Routing Info”選項(如圖 17)，即可針對該節點目前正接收的訊息、已完成傳遞的訊息以及連線資訊做詳細的檢視。. 30.

(39) 立. 政治大. ‧ 國. 學圖 16：The ONE 模擬器模擬期間畫面. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 17：Routing Info 視窗畫面. 31.

(40) 4.3 實驗結果. 4.3.1 初始模擬結果在訊息送達率(Delivery Ratio)中(如圖 18)，Epidemic Routing 使用訊息複製與廣播傳送，理論上應該會有較高的訊息送達率，但模擬結果顯示卻為最低，可能因為節點的緩衝區大小是固定的，而 Epidemic Routing 像洪水般的將路況交通訊息傳遞給每一個所遭遇的節點，初期交換量可能還可以承受，但是當中後期路況交通訊息數量大量增加. 政治大. 時，各個節點的緩衝區(Buffer)可能就無法負擔，僅能等待訊息的 TTL 到期將其刪除；. 立. 而 Spray and Wait 路由協定與 Epidemic Routing 相類似，差異僅在於訊息複製與廣播的. ‧ 國. 學. 部分有做數量限制，訊息送達率稍佳，但仍會發生 Epidemic Routing 所發生的狀況；而本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)，有效地控制 flooding 的範圍僅於單一. ‧. 節點間(One-Hop)，同時透過訊息交換流程有效地進行過濾，大大地減少了傳輸量，讓. Nat. sit. y. 各個節點皆能獲得所需的交通路況資訊。. n. al. er. io. 而在整體網路的傳輸負載(Transmission Overhead)方面(如圖 19)，我們所提出路況交. i n U. v. 通覺知路由協定(RTARP)因控制訊息僅於單一節點間傳遞，扣除未成功完成傳送的部. Ch. engchi. 分，仍然具有最低的網路負載；而 Epidemic Routing 以及 Spray and Wait Routing 因將訊息複製後再傳送給全部或一部分的節點，訊息轉送數量增加，故網路傳輸負載高。另外在路況交通資訊平均交換數量(Average Exchanged RTI Number)的部分(如圖 20)，因 Epidemic Routing 及 Spray and Wait Routing 皆採用複製訊息並廣播的方式傳遞，部分路況交通資訊以轉送(forwarding)的方式傳遞至其他節點，節省下處理後再傳送的時間，所以交換數量較多；但本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)在本方面交換量雖少，仍與 Epidemic Routing 以及 Spray and Wait Routing 數量差距不大(約在 3%左右)。最後在路況交通資訊正確率(RTI Accuracy)方面(如圖 21)，本研究所提出的路況交通 32.

(41) 覺知路由協定(RTARP)遠勝於 Epidemic Routing 以及 Spray and Wait Routing(差距接近 8%)，原因在於路況交通覺知路由協定(RTARP)本身對路況交通資訊會進行一連串的處理與過濾，將已整合好的資訊再傳遞給其他節點，相較於 Epidemic Routing 與 Spray and Wait Routing 不做任何過濾的處理方式，路況交通資訊正確率自然較高。. 立. 政治大. sit. y. ‧. ‧ 國. 學. io. n. al. er. Nat. 圖 18：1A 初始模擬結果-訊息送達率. Ch. engchi. i n U. v. 圖 19：1A 初始模擬結果-傳輸負載 33.

(42) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 20：1A 初始模擬結果-路況交通資訊平均交換數量. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 21：1A 初始模擬結果-路況交通資訊正確率. 34.

(43) 表 5：1B 初始實驗模擬參數設定表 Parameter Area. Settings 4500m* 3400m. Simulation Time. 7200 sec. Warm Up Time. 1800 sec. Number of cars. 50. Data Rate. 5Mbps. Radio Range. 100m. Interval of message creation 1 sec. 政治 10M 大 km/h 10~60. Car Buffer size. 立. Events.hosts. 50. Time To Live. 1800 sec. 學 ‧. ‧ 國. Car speed. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 22：1B 初始模擬結果-訊息送達率. 35.

(44) 立. 政治大. ‧ 國. 學 ‧. 圖 23：1B 初始模擬結果-傳輸負載. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 24：1B 初始模擬結果-路況交通資訊平均交換數量. 36.

(45) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. Nat. n. al. er. io. sit. y. 圖 25：1B 初始模擬結果-路況交通資訊正確率. i n U. v. 在表 5 初始模擬 1B 中，我們將汽車數量增加到 50 輛，各車輛緩衝區大小設定為. Ch. engchi. 10MB，觀察三種不同路由的路況交通資訊交換方式，由圖 22 可得知因節點數量增加的緣故，所有路由協定在訊息送達率皆有下降的跡象，但本研究所提出的 RTARP 下降幅度遠小於 Epidemic Routing 及 Spray and Wait Routing；另外由圖 23 可瞭解所有路由協定在網路傳輸負載方面皆有增加，依然以 Epidemic Routing 及 Spray and Wait Routing 的數值較高，可見當節點數量過多時，因本研究所提出的 RTARP 採取有效率的交換方式，方能有效地減少網路傳輸負載；接下來圖 24 中，路況交通資訊平均交換數量因節點數量增加的關係，讓節點與節點相遇的機會變大，因此交換的次數也有所增加，但路況交通覺知路由協定(RTARP)與 Epidemic Routing、Spray and Wait Routing 差距仍然不大；最後圖 25 顯示，各路由協定在路況交通資訊正確率部分與前次實驗相比均大致相同，顯 37.

(46) 示本研究所提出之路況交通覺知路由協定(RTARP)能以有效的方法維持路況交通資訊的正確性，讓駕駛人員能因應不同的交通狀況做出有效率的路徑規劃。. 4.3.2 傳輸距離之效能評估在訊息送達率中，由傳輸距離模擬結果得知，因傳輸距離增加，所有節點能完成路況交通資訊交換的機率也增加，如圖 26 所示，所有路由協定皆因傳輸距離增加而提高訊息送達率。. 政治大. 在網路傳輸負載中，由模擬的實驗結果得知所有路由協定皆因傳輸距離增大而提升. 立. 訊息送達率，進而減少網路傳輸負載，但我們提出的方法，相較於 Epidemic Routing 及. ‧ 國. 學. Spray and Wait Routing 來得小，差距幅度約有 2 倍以上(如圖 27)。在路況交通資訊平均交換數量方面，如圖 28 所示，Epidemic Routing 及 Spray and. ‧. Wait Routing 依然高於本研究所提出之路況交通資訊覺知路由協定(RTARP)，但差距依. Nat. sit. y. 然保持在 3%以內，而所有路由協定皆因傳輸距離增加，提高了訊息送達率，同時也提. n. al. er. io. 高了路況交通資訊平均交換數量。. i n U. v. 最後在路況交通資訊正確率方面，本研究所提出的 RTARP 因傳輸距離的增加或減. Ch. engchi. 少而有小幅度的變化，但仍保持在 84%至 89%；而 Epidemic Routing 與 Spray and Wait Routing 的路況交通資訊正確率在傳輸距離為 125m 時，上升幅度雖有較高，但相較於本研究所提出的 RTARP，還是有 5%左右的差距(如圖 29~31)。. 38.

(47) 立. 政治大. ‧. ‧ 國. 學. 圖 26：傳輸距離-訊息送達率. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 27：傳輸距離-傳輸負載. 39.

(48) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 28：傳輸距離-路況交通資訊平均交換數量. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 29：傳輸距離 75m-路況交通資訊正確率. 40.

(49) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 30：傳輸距離 100m-路況交通資訊正確率. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 31：傳輸距離 125m-路況交通資訊正確率. 41.

(50) 4.3.3 道路分割區塊大小之效能評估最後我們針對本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)，依據 100m X 100m、250m X 250m、500m X 500m 以及 1000m X 1000m 等不同道路分割區塊大小來進行效能評估，並且針對車輛數量為 25 及 50 作模擬實驗，其中在訊息送達率以及網路傳輸負載的部分均無任何變化；而在路況交通資訊平均交換數量方面，不論在車輛數量為 25 或 50 時，皆因道路分割區塊的範圍變廣的緣故，讓每次傳輸的道路資訊數量有小幅度的增加(如圖 32)；最後在路況交通資訊正確率方面，同樣地不論在車輛數量為 25(如. 政治大. 圖 33)及 50(如圖 34)時，均因道路分割區塊的面積增加，連帶地讓路況交通資訊正確率. 立. 有所提升，由此可見本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)，對於各路段的即. ‧ 國. 學. 時交通速率資訊，皆保有一定的準確性，並不會因路況資訊傳輸數量的增加而有所減少。. ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 32：道路分割區塊大小-路況交通資訊平均交換數量(RTARP). 42.

(51) 立. 政治大. ‧ 國. 學. 圖 33：道路分割區塊大小-路況交通資訊正確率(RTARP 25 nodes). ‧. n. er. io. sit. y. Nat. al. Ch. engchi. i n U. v. 圖 34：道路分割區塊大小-路況交通資訊正確率(RTARP 50 nodes). 43.

(52) 第五章結論與未來展望 5.1 結論在本研究中我們提出以耐延遲車載網路的方式，進行路況資訊的收整與旅途時程的彙整，於市區環境中建立一個交換路況訊息的模式，當車輛與車輛彼此相遇時，透過路況交通覺知路由協定(RTARP)已建立好之訊息傳送流程，進行各節點所需路況資訊的交換，同時接收到路況資訊後，透過路況交通覺知路由協定(RTARP)內的規則進行資訊的. 政治大. 彙整，使道路路況資訊更接近當前交通狀況。. 立. 在本文中我們提出路況交通覺知路由協定(RTARP)進行路況交通資訊的交換，並針. ‧ 國. 學. 對車輛的傳輸距離、汽車數量、節點的緩衝區大小探討，對整個耐延遲車載網路(VDTN) 的效能，由模擬實驗結果得知，路況交通覺知路由協定(RTARP)與 Epidemic Routing 及. ‧. Spray and Wait Routing 相比下有較佳的效能。. sit. y. Nat. 在訊息送達率中，當網路的節點愈多規模愈大以及傳輸距離越長時，雖然訊息送達. n. al. er. io. 率有所上升，但路況交通覺知路由協定(RTARP)相較於 Epidemic routing 及 Spray and. v. Wait Routing 仍有較佳的訊息送達率；針對網路的傳輸負載，我們提出的方法因使用單. Ch. engchi. i n U. 節點間管控廣播傳輸方式(One-Hop Controlled Flooding)進行路況交通資訊的交換，因此所得數值較低；在路況交通資訊(RTI)平均交換數量方面，雖然本研究所提出之路況交通覺知路由協定(RTARP)均較低，但與 Epidemic routing 及 Spray and Wait Routing 相差不到 5%；最後在路況交通資訊(RTI)正確率部分，本研究就所提出之路況交通覺知路由協定(RTARP)皆高於其他兩者接近 5%，最高可達 8%。由以上實驗結果得知，我們提出的方法可以有效地使網路的傳輸負載降低，並且提高訊息的送達率與維持路況交通資訊 (RTI)的正確率及數量。另外針對本研究所提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)進行道路分割區塊大小. 之效能評估的模擬實驗中，得知在路況交通資訊(RTI)平均交換數量及路況交通資訊 44.

(53) (RTI)正確率等方面，會與區塊大小的增加成正比，可見路況交通覺知路由協定(RTARP) 在進行路況資料收整時，仍保有相當的正確率。. 5.2 未來展望我們提出的路況交通覺知路由協定(RTARP)，目前僅能針對所有車輛已行駛過的路段之交通資訊進行整合，倘若能以其它無線網路傳輸方式(例如 3G、WiMAX 或 4G LTE 等)結合交通管理中心(Traffic Management Center-TMC)或其他第三方所提供的路況資. 政治大車路徑的最短旅途時程規畫有相當大的助益，因此後續該如何整合不同系統的路況資立. 訊，進而將所有路況資訊進一步彙整，取得節點自身所缺少的道路路況資訊，必定對行. ‧ 國. 學. 訊，可以作為未來進一步研究的方向；另外本研究的路況交通覺知路由協定(RTARP)是以接收者為基礎(Receiver based)的路由協定，透過接收路況資訊的節點來選擇所需的路. ‧. 況交通資訊，未來也可針對以傳送者為基礎(Sender based)的路由協定，作進一步的研究. n. al. er. io. sit. y. Nat. 與比較。. Ch. engchi. 45. i n U. v.

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