車載網路之結合碰撞的效能分析
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(2) 車載網路之結合碰撞的效能分析 學生：邱昱翔. 指導教授：黃政吉博士. 國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班. 摘. 要. 考慮車載隨意網路在控制通道上使用分時多工方法，為了避免隱藏節 點的問題，某輛車可以挑選的時槽，只能從某輛車的 one –hop 和 two-hop 鄰居都沒有使用的時槽中挑選。但是隨著車輛位置不斷改變，可能產生新的 時槽衝突，導致某輛車必須重新選擇時槽，這個問題被稱為結合碰撞。在本 論文提出一個分析模型，用來計算某輛車發生結合碰撞的速率，本論文證明， 在不同的交通密度下，分析結果與模擬結果非常接近。並且顯示，高速車發 生結合碰撞的速率是高於低速車，且雙向高速公路的環境下發生的結合碰撞 是高於單向高速公路的環境。. 關鍵字：車載隨意網路、分時多工、結合碰撞、分析模型. i.
(3) Performance Analysis of Merging Collision in TDMA-Based VANETs. student：Yu-Shiang Chiu. Advisors：Dr. Jeng-Ji Huang. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT. The vehicular ad hoc networks (VANETs) in which time division multiple access (TDMA) is employed on the control channel has been considered. In order to avoid the hidden terminal problem, a time slot can be reserved by a vehicle only when the time slot is unreserved by its one-hop and two-hop neighbors. However, frequent topology changes in VANETs may lead to conflicts between time slot reservations, causing reselection of time slots by vehicles. This problem is known as merging collision. An analytical model is thus proposed in this thesis to evaluate the rate of merging collision incurred by a vehicle. We show that the proposed analytical model can provide very accurate results, as compared with computer simulations, over a wide variety of vehicle traffic densities. In addition, it is shown that high-speed vehicles generally encounter a merging collision more often than low-speed ones, while the rate of merging collision incurred by a. ii.
(4) vehicle is higher on a bidirectional highway than on a unidirectional one.. Keywords: Vehiclular ad hoc networks (VANETs), time division multiple access (TDMA), merging collision, analytical model.. iii.
(5) 誌. 謝. 在碩士的求學過程中，受到很多老師和助教的教導以及許多學長和同學 都給我很大的幫助，讓我可以有效的處理問題並且順利的念完碩士學位。其 中，在修課的過程裡，郭建宏教授首先讓我了解碩士生正確的求學態度以及 碩士生與大學生的不同；戴建耘、何宏發和高文忠教授交導我很多業界會碰 到的問題以及去學習處理這些問題的能力；在研究方面，感謝我的指導教授 黃政吉博士，他願意花許多寶貴的時間在教導我如何有計劃性的處理研究問 題，讓我可以在遇到問題時，簡單有效率的處理。. 在剛進入碩班生活的時候，顏婉真和蘇雯琪學姐非常熱心的介紹實驗室 環境，楊承儒和陳資涵兩位學長常常跟我一起討論研究給我建議，並且也會 給予我信心減少我上台的壓力，在各方面都給我很大的幫助；也很感謝我的 同學郭庭翰，他是跟我一起做研究的好夥伴；李星融、劉鑑儀和程鈺錞同學 雖然跟我不同實驗室，但也時常花費時間在報帳、口試和研究上給予我幫助， 讓我受益良多。黃元杰和鍾宜蒲學弟在修課和口試方面都非常熱心的幫我， 十分感謝；黃仕華、李尚儒、呂宗哲、沈志領、邊廷宇等學弟為實驗帶來歡 熱的氣氛和活力，讓我可以開心的做研究，並且在我需要幫忙時會助我一臂 之力；謝謝所有幫助和陪伴我的老師和同學。. iv.
(6) 目. 錄 頁次. 中文摘要 .........................................................................................................i 英文摘要 ....................................................................................................... ii 致. 謝 .......................................................................................................iv. 表 目 錄 ..................................................................................................... vii 圖 目 錄 .................................................................................................... viii 第一章. 緒論................................................................................................ 1. 1.1 研究背景............................................................................................1 1.2 研究動機與目的 ................................................................................3 1.3 論文架構.............................................................................................4 第二章. 車載網路相關論文研究 ...............................................................5. 2.1 專用短距離通訊 ( DSRC ) ...............................................................5 2.2 隱藏節點問題 ....................................................................................6 2.3 ADHOC MAC ....................................................................................7 2.3.1 目的 ..........................................................................................7 2.3.2ADHOC MAC 的做法 .............................................................7 2.4 A-ADHOC MAC ................................................................................9 2.4.1 目的 ..........................................................................................9 2.4.2 A-ADHOC MAC 的做法 ........................................................9 2.5 VeSOMAC ........................................................................................10 2.5.1 目的 ........................................................................................10 2.5.2 VeSOMAC 的做法 ................................................................11 2.6 VeMAC .............................................................................................15 2.6.1 目的 ........................................................................................15 2.6.2 VeMAC 的做法 .....................................................................16 v.
(7) 第三章. 數學分析 .....................................................................................18. 3.1. 系統模型 .....................................................................................18. 3.2. 結合事件發生速率 .....................................................................20 3.2.1 同向結合事件 ........................................................................20 3.2.2 反向結合事件 .......................................................................22. 3.3. 每一結合事件發生的結合碰撞 .....................................................22. 3.3.1 新加入的 two-hop 鄰居 ........................................................23 3.3.2 重複的 two-hop 鄰居 ............................................................25 3.3.3 結合碰撞的機率 ....................................................................27 3.3.4 結合碰撞的平均速率............................................................29 第四章. 模擬結果與討論 .........................................................................30. 4.1. 結合事件速率 .............................................................................30. 4.2. 結合碰撞的速率 .........................................................................31 4.2.1 通道阻塞機率 ......................................................................37 4.2.2 改善幅度 ..............................................................................37. 第五章 參. 考. 結論 ..............................................................................................40 文. 獻 ............................................................................................41. vi.
(8) 表目錄 頁次 表 3-1. 東向車或西向車重複的 two-hop 鄰居表 ...........................................26. 表 4-1. 圖 4-1 到圖 4-8 模擬參數表 ................................................................31. 表 4-2. 圖 4-9 到圖 4-12 模擬參數表 ..............................................................37. vii.
(9) 圖目錄 頁次 圖 1-1. 車載通訊架構[1] ....................................................................................2. 圖 1-2. 車載通訊範圍示意圖[12] ......................................................................3. 圖 2-1. DSRC 頻率配置[5] .................................................................................5. 圖 2-2. 隱藏節點[12]...........................................................................................6. 圖 2-3. FI 說明範例[12] ......................................................................................8. 圖 2-4. 不同碼框大小[13] ..................................................................................9. 圖 2-5. ADHOC MAC 與 VeSOMAC 時槽安排示意圖[14] ......................... 11. 圖 2-6. Bitmap 說明[14]....................................................................................12. 圖 2-7. VeSOMAC 時槽調整的過程 ...............................................................13. 圖 2-8. VeSOMAC 狀態圖[14] .........................................................................14. 圖 2-9. VeMAC 時槽分割機制[14].................................................................14. 圖 2-10. 車輛 x 使用 SRP 機制避開不必要的時槽釋放[17] ........................15. 圖 2-11. (a)車隊拓樸改變示意圖 (b)時槽選擇示意圖[17] ..........................15. 圖 3-1. 說明雙向的高速公路環境 ...................................................................18. 圖 3-2. (a)向東車之間的同向結合事件 (b)向西車之間的同向結合事件 ..20. 圖 3-3. 不同方向的結合事件 ...........................................................................21. 圖 3-4. 說明可能發生結合碰的部分 ...............................................................24. 圖 4-1. 單向低密度 ...........................................................................................32. 圖 4-2. 雙向低密度 ...........................................................................................32. 圖 4-3. 單向中密度 ...........................................................................................33. 圖 4-4. 雙向中密度 ...........................................................................................33. 圖 4-5. 單向高密度 ...........................................................................................34. 圖 4-6. 雙向高密度 ...........................................................................................34. viii.
(10) 圖 4-7. 單向 E[C]...............................................................................................36. 圖 4-8. 雙向 E[C]...............................................................................................36. 圖 4-9. 單向低密度(時槽 50) ...........................................................................38. 圖 4-10 雙向低密度(時槽 50) ...........................................................................38 圖 4-11 單向中密度(時槽 50) ...........................................................................39 圖 4-12 雙向中密度(時槽 50) ...........................................................................39. ix.
(11) 第一章. 1.1. 緒論. 研究背景. 汽車是多數人在日常生活中的基本需求。然而，道路事故經常造成交 通壅塞，而且車禍死亡率始終居高不下；舉例來說，台灣每年車禍事故導 致約 2,000 人死亡[2]。因此，許多國家逐漸重視無線數據通訊系統的發展， 並投入許多研究來研發包括車輛內部本身、車輛對車輛和車輛對基地台的 通訊系統，以期能降低車禍事故所造成的傷亡，並進而提升道路駕駛的安 全感與舒適性；例如，可即時通知前方交通事故，舒緩道路壅塞；或者， 可與同行鄰居車輛進行即時影音傳輸，分享旅遊樂趣。. 車載隨意網路（Vehicular Ad Hoc Networks, VANETs）相較於一般的移 動隨意網路(mobile ad hoc networks, MANETs)，其網路環境特性包含：高移 動性、快速變動、但移動路線方向較固定等。車載隨意網路主要運用在行 車安全及行車通訊上，它被有效的使用於智慧型傳輸系統中（Intelligent Transportation System, ITS） 。所謂智慧型傳輸系統，是結合先進的電子、通 訊、控制等相關技術，該系統將全面使用於整個交通運輸管理體系，以達 成安全、即時以及其他相關的服務[1]。為了提高傳輸速率和降低車輛碰撞， 美國聯邦通訊委員會（Federal Communication Commission, FCC）配置 5.85~5.925 GHz 頻段作為 ITS 所使用，而這個頻段的架構，是用在專用短 距離通訊（Dedicated Short Range Communications, DSRC）中車輛與車輛間 （Vehicle to Vehicle, V2V） ，以及車輛與路肩單元（Vehicle to Roadside, V2R） 之間的通訊[4]，如圖 1-1 所示。. -1-.
(12) 圖 1-1. 車載通訊架構[1]. 在車載隨意網路裡，one-hop 鄰居廣播的資訊可提供緊急安全之用途。 舉例來說，在車輛與車輛通訊應用中，像是非目視範圍的警示訊息、預防碰 撞之感測與合作防撞機制（cooperative collision avoidance, CCA）[3]。每輛 車週期性地廣播自己的實體位置、行車速度、轉向信號燈等，這些訊息都會 傳送給所有 one-hop 的鄰居車輛。由於即時且可靠的安全訊息，將直接影響 道路上的交通安全，因此車載隨意網路需要設計一套有效率的媒體存取控制 (Medium Access Control, MAC) 協議，以提供即時且可靠的廣播服務，並能 同時提供具娛樂功能的多媒體傳輸服務。 如圖 1-2 表示，圓 A、B、C 內的車彼此可以互相通訊，也就是說互為 one-hop 鄰居，舉例來說，假設車輛 1 傳送了封包訊息，車輛 2、4、5 都可. -2-.
(13) 以收到此封包，同理車輛 2、4、5 可以傳送封包資訊給車輛 3、6、7。因此， 該車輛的 two-hop 鄰居也可以透過 one-hop 鄰居稍後的廣播通知，而收到此 資訊。. 圖 1-2 車輛通訊範圍示意圖[12]. 1.2 研究動機與目的. 目前有很多文獻已經分析存取碰撞的發生情況，例如 [13]、[17]，但還 沒有任何文獻針對結合碰撞的情況提出數學分析。本計畫提出一個分析模型， 計算結合碰撞的平均車輛數，以便觀察車輛釋放保留時槽的情況。同時可以 知道，當車輛密度固定時，增加一個馬框(frame)包含的時槽個數，可以有效 的降低發生結合碰撞。. -3-.
(14) 本論文提出一個分析方法，參考 VeMAC [17]的車隊拓樸模型。在這個 分析方法中，我們特別把結合碰撞獨立分開討論；也就是說，我們假設完美 的存取碰撞，當發生結合碰撞事件時，時槽的存取可以立刻完成。因此，本 計畫討論車隊拓樸發生變化的平均速率，以及車隊拓樸改變時，發生結合碰 撞的平均車輛數，以獲得單位時間內結合碰撞的平均車輛數。. 1.3 論文架構. 本論文主要分成五個章節，第一章緒論，主要介紹車載網路的研究背景 和研究動機與目的；第二章車載隨意網路相關論文的研究和應用，除了更深 入 介 紹 車 載 隨 意 網 路 外 ， 依 序 介 紹 ADHOC. MAC[12] 、 A-ADHOC. MAC[14] 、VeSOMAC[15]以及 VeMAC[17]在緊急安全訊息上的應用，並介 紹何謂結合碰撞；第三章數學分析，本論文先討論一個結合事件發生的速率， 當車輛進入互相的 one-hop 或 two-hop 通訊範圍就會發生結合事件，為了專 注於結合碰撞的討論和有利於結合碰撞分析，我們假設在理想的隨機存取機 制，也就是說在發生一個結合碰撞後，能用的時槽可以馬上被隨機挑選和存 取。基於以上的假設，就可以計算在一個結合事件裡，發生結合碰撞的平均 車數；第四章模擬結果與討論，呈現本論文的分析結果與模擬結果；第五章 為結論，並且討論未來的研究方向。. -4-.
(15) 第二章. 車載網路相關論文研究. 2.1 專用短距離通訊（DSRC）. DSRC 標準使用嚴格的頻率控制，達到在車載隨意網路（vehicular ad-hoc network, VANET）環境下，讓車輛可以在高速行駛中仍可以有效的傳輸資 料。. 圖 2-1. DSRC 之頻率配置[5]. 根據 FCC 規定，DSRC 使用在 5.9 GHz 周圍 75 MHz，也就是 5.850GHz 到 5.925GHz 的頻帶[5]，如圖 2-1 所示[5]，可以用在需要低延遲的車對車、 和車對路間單元（roadside unit）的通訊，專用短距離通訊共分成 7 個通道， 其中 6 個為服務通道(CH172 到 CH184 不包含 CH178)，用來提供非緊急的. -5-.
(16) 服務，如影音等多媒體通訊；另一個則是控制通道(CH178)，用來傳送緊急 安全訊息，像是週期性安全訊息之交換、車禍事故之通知等，在 VeMAC [17] 中就有提到如何同時在服務公道和控制通道都使用分時多工的機制。. 圖 2-2 隱藏節點[12]. 2.2 隱藏節點問題. 如圖 2-2 所示，隱藏節點（hidden terminal）的問題發生於，當節點 1 和節 點 3 同時傳送訊息給節點 2 的時候，因為結點 1 和節點 3 的訊息會彼此干擾， 因此，節點 2 無法有效的接收到，節點 1 和節點 3 的資訊。在使用分時多工 的機制下，假設節點 1 翰節點 3 使用到相同時槽，因此就會發生隱藏節點的 問題，導致訊息傳送失敗，浪費頻寬，故此，如何有效的處裡隱藏節點問題， 是非常重要，在 ADHOC MAC [12]就提出了一個有效得解決方法。. -6-.
(17) 2.3 ADHOC MAC. 2.3.1 目的. ADHOC MAC 使每台車在一般狀況下，建立各自的保留時槽，並且透過 FI（Frame information）的交換，使車子可以避開隱藏節點的問題，確保傳 輸訊息時能避開資料碰撞。很多之後的論文都是以 ADHOC MAC 為基礎加 以改善和討論。. 2.3.2 ADHOC MAC 的做法. ADHOC MAC[12] 是一個分散式的做法，每輛車都要在碼框中選一個可 用時槽，作為自己的基礎通道（basic channel, BCH）。為了避開隱藏節點問 題，每輛車必須要看到 two-hop 的鄰居車輛使用時槽情況。因此，在 ADHOC MAC 中 每輛車都會在他自己的基礎通道中送出自己的碼框資訊(frame information , FI） ，碼框資訊是 N 維的行(列)向量，這 N 個元素代表在前一個 碼框中 N 個時槽的感測情形。由碼框資訊會週期性的廣播，於是可以讓每 輛車都知道 two-hop 鄰居車輛的整個傳輸情況，於是 ADHOC MAC 可以解 決隱藏節點問題並降低傳輸碰撞，且藉由分時多工機制以保留碼框中的一個 可用時槽，這樣可以確保傳輸訊息的成功率。. -7-.
(18) 圖 2-3. FI 說明範例[12]. 圖 2-3 為範例，每輛車的 FI 會標記自己 one-hop 鄰居節點挑選的時槽情 況，舉例來說，假設 1 號車現在加入車隊，它會蒐集 2、4、5 車的 FI 資訊， 以得知目前 two-hop 鄰近節點使用時槽的情形，於是可以有效的避免隱藏節 點問題的發生。. -8-.
(19) 2.4 A-ADHOC MAC. 2.4.1 目的 在 A-ADHOC MAC [13]中，為了降低存取碰撞發生的情況，並且避 免當車輛密度提高時，發生時槽不夠用的情況；因為當固定碼框大小的 時候，可能發生需要時槽的車輛數多於碼框大小，也就是某車的 one-hop 和 two-hop 總數大於固定碼框總數時；因此，為了有效改善兩個問題， A-ADHOC MAC 提出使用可調式的碼框大小，使用以 2 的次密幂來做 為碼框的大小，也就是 2、4、8…。. 圖 2-4. 不同碼框大小[13]. 2.5.2 A-ADOC MAC 做法. A-ADHOC MAC 提出在 FI 中在加入實際使用的碼框大小和推薦使用的 碼框大小，當碼框中有 3/4 以上的時槽被占用，就會將目前的碼框大小調整. -9-.
(20) 成兩倍，也就是本來碼框有 8 個時槽，發現有 6 個以上的時槽被占用，碼框 大小就會調整為 16 個時槽，如果小於 1/5 的時槽被占用，則會使用二分一 倍的碼框大小。如果 2-4 所示，3 號車使用碼框大小為 16，1 號車使用的碼 雙大小為 8，在 3 號車的 FI 裡，1 號車就會占用兩個時槽，值得注意的是， 在 1 號車的 FI 裡，也會標記 3 號車的時槽，即使有時候 3 號車並不使用對 應的時槽，理由是因為 3 號車每隔 16 個才發送一次訊息，但 1 號車每隔 8 個就會 FI 就會重新來一次，因此每兩個 1 號 FI 就會有一個標記的 3 號車時 槽，其實是 3 號車未使用的時槽。. 2.5. VeSOMAC. 2.5.1 目的. VeSOMAC（Vehicular Self-Organizing MAC）[14] 提出藉由每輛車交換 彼此的 bitmap 來判斷自己 one-hop 鄰居時槽使用的狀況，並且根據 GPS 所 得到的車輛實體位置，讓每輛車的時槽可以根據車輛相對的位置來排列，如 圖 2-8 所示，圖中的（a）表示車輛發生事故時的情況，假設當 A 車前面發 生事故，通常的做法（b） ，在不會發生碰撞的可用時槽中隨機挑選一個時槽， 並不考慮車輛的相對位置，所以時槽的排列會是隨機，因此假設 A 車發出 緊急安全訊息，必須要等到碼框-3 才可以通知到 D 車，VeSOMAC 的做法（c） ， 使用 GPS 以獲得車輛相對位置的資訊，並且車輛跳選可用時槽時，會根據 車子的實體位置依序排列，因此可以在碼框-1 就傳送到 D 車，這樣做可以 降低緊急安全訊息向後傳遞的延遲。. - 10 -.
(21) 圖 2-5. ADHOC MAC 與 VeSOMAC 時槽安排示意圖[14]. 2.5.2 VeSOMAC 做法. Bitmap:. 在 VeSOMAC 的機制中，每輛車都會建立自己 one-hop 鄰居車輛使用時 槽 Bitmap，藉由彼此交換 Bitmap，車輛可以得知目前 two-hop 鄰居車輛使 用時槽的情況，並可以避開隱藏節點的問題，為了讓非同步的情形下也能執 行，如圖 2-6，Bitmap 中一個向量代表兩個時槽，若兩個時槽的時段有部分. - 11 -.
(22) 被使用，則會在 Bitmap 對應的時段標記為 1，若沒有則會標記為 0。. 圖 2-6. Bitmap 說明[14]. 為了使每輛車可以避開找到會發生隱藏節點問題的時槽，並且時槽會根 據車輛相對位置進行排列，VeSOMAC 制定三個條件來找到合適的可用時 槽： . 時間的限制：某車輛使用時槽和鄰居車輛使用時槽發生重疊. . 鄰居表的限制：無法得到目標鄰居的時槽狀況. . 順序的限制：車子相對位置和時槽的排序. 如圖 2-7 所示，假設 C 車新加入車隊，如果一開始無法找到合適的可用 時槽，就會先挑選最後的時槽，由於 D 和 E 違反了順序的限制，所以將會 重新移動他們的時槽。. - 12 -.
(23) 圖 2-7. VeSOMAC 時槽調整的過程[14]. 圖 2-8 是整個時槽調整過程的狀態圖，一開始，新加入車隊的車輛藉由 收集 Bitmap 資訊來尋找可用時槽，再來會評估是否違反上述的三大限制； 若違反，則會移動時槽以滿足限制並且要達到穩定狀態為止，若在穩定的狀 態下，發生拓樸改變、車輛相對位置變化或發現違反上述限制，會持續觀察 W 碼框的情形，如果還是違反，則會回到評估的狀態並重新調整時槽位置。. - 13 -.
(24) 圖 2-8. 圖 2-9. VeSOMAC 狀態圖[14]. VeMAC 時槽分割機制[17]. - 14 -.
(25) 2.6. VeMAC. 2.6.1 目的. 不同於之前的 [12]、[13]、[14]， VeMAC [17]、 [7]、[8]、[9] 和 [10] 都有討論到車輛不斷移動而產生的問題，其中 VeMAC 主要是針對這個問題 進行討論，比如像是結合碰撞或是不必要時槽釋放等等，同時為了降低結合 碰撞的發生，VeMAC [17] 將一個碼框的時槽分成三個部份，分別給向左的 車、向右的車和路間單元使用，如圖 2-9 所示。如此可以避開在三種組別之 間的結合碰撞發生，可以有效的降低結合碰撞，由於不同組的車(路間單元) 相對速度差會比同一組的車(路間單元)來的大，所以造成結合碰撞的機率也 較大。. 圖 2-10 車輛 x 使用 SRP 機制避開不必要的時槽釋放[17]. - 15 -.
(26) 2.6.2 VeMAC 做法. VeMAC [17]是多通道媒體存取控制(MAC)協定，並且 VeMAC [17]不同 於 ADHOC MAC [9]。在 ADHOC MAC 中每輛車在選擇保留時槽的時候， 會在每一個可用時槽會使用 p 的機率去競爭；但 VeMAC [17]的則是會在每 個碼框的開始就均勻的隨機挑選一個可用時槽作為使用時槽。值得注意的是， VeMAC [17] 提出預防時槽釋放(Slot Release Prevention, SRP)機制。這是用 來處理，當兩輛車變成新的 one-hop 鄰居時，如圖 2-10 所示，假設車輛 x 和車輛 y 相遇在車輛 x 的保留時槽之後，於是車輛 y 先傳送封包訊息，車輛 x 會收到車輛 y 傳送的訊息，並且會發現車輛 y 傳送的封包資訊裡並沒有自 己的資訊；因此，會誤以為自己和別輛車發生時槽碰撞，因而選擇釋放自己 的保留時槽。預防時槽釋放(SRP)可以有效的解決這個問題，就如同上面的 情況，當車輛 x 發現車輛 y 沒有自己的資訊時，會先去判斷車輛 y 是否已經 紀錄在自己本來的 one-hop 鄰居裡；如果沒有，就不會先釋放自己的保留時 槽，然後紀錄 y 的相關資訊。等到車輛 y 收到車輛 x 訊息時，這時車輛 y 就 會發現車輛 x 已經有了自己的資訊，然後車輛 y 會記錄車輛 x 的資訊。因此， 可以避開不必要的時槽釋放。在本計畫的模擬和分析都有考慮預防時槽釋放 (SRP)並且在可用的時槽裡等機率挑選一個保留時槽。. 如圖 2-11(a)所示，說明何謂結合碰撞。在一個雙向的高速公路上，虛線 畫成的圓，從左到右分別代表車輛 w、y 和 z 的 one-hop 通訊範圍。在. 的. 時候，車輛 x 尚未進入車輛 y 的 one-hop 通訊範圍，此時由於車輛 x 和車輛 y 為 two-hop 的鄰居，車輛 x 和車輛 y 彼此不會選擇相同的保留時槽。但是， 由於車輛 z 和車輛 x 在. 時既不是 one-hop 也不是 two-hop 鄰居，所以有可. 能選到相同的保留時槽。如圖 2 (b) 所示，若車輛 x 和車輛 z 選擇相同的保 - 16 -.
(27) 留時槽，當車輛 x 移動到車輛 y 的 one-hop 通訊範圍內，也就是在 時，車 輛 x 和車輛 z 就變成了 two-hop 的鄰居。因此在車輛 y 發生訊息結合碰撞。 結果，車輛 x 和車輛 z 都必須釋放自己的保留時槽，重新選擇新的保留時槽。. w x. y x. collision (a). (b). 圖 2-11：(a)車隊拓樸改變示意圖；(b)時槽選擇示意圖。. - 17 -. z.
(28) 第三章. 圖 3-1. 數學分析. 說明雙向的高速公路環境. 3.1 系統模型 如圖 3-1 所示，車輛移動在雙向的高速公路上，我們考慮其中的某段道 路。車輛分別會從西邊和東邊進入這路段，假設西向車和東向車每秒到達這 路段的機率為獨立的卜瓦松分佈，其平均值分別為 車會從. 和. 等機率的挑選一個速度，其中速度. 和. 。並且，每輛 大於速度. ，當. 選定了某個速度，就會固定速度在公速公路上行駛。並且假設車輛的到達率 和車速互相獨立。. 首先，根據上面提到的車輛到達的模型和車輛移動的模型，可以得知在 這段道路上車輛分佈情況會是卜瓦松分佈。原因會在下面說明。以東向車來 看，東向車的到達率可以看成是兩個獨立的卜瓦松過程相加，也就是說可以. - 18 -.
(29) 表示成. ，其中. 到達率，並且可以知道. 和. 分別代表高速東向車和低速東向車的 。因此對所有東向高速(低速)車，彼. 此之間的距離會是獨立的指數分佈隨機變數，使用的平均值是. ( 。. )。合併兩種車速的車輛會導致平均值為 同理，上面的討論也適用在西向車 ，也就是說，. 。因此，考慮兩個方向的車在這段路段上的分佈就會是平均值為 的卜瓦松分佈。 必須注意，不管是在東向道路或西向道路上，高速車和低速車的機率分 別為:. (1). (2). 換個角度來看，當兩個方向的車一起來看，東向車和西向車的機率分別 可以表示成:. (3). (4). 此外，這段道路上東向車和西向車在每一個點的到達率都相等於在 開始進入這段道路的到達率，也就是平均值分別為 變數。. - 19 -. 和. 的卜瓦松隨機.
(30) 3.2 結合事件發生速率. 再來，在這部分我們討論車輛產生結合事件的速率。由於對向車或是同 向但使用不同速度的車，因此可以清楚的知道車輛會彼此接近。當兩輛車進 入彼此的通訊範圍，就會發生結合事件。假設在 的兩輛車分別為. 車和. 的時間點發生結合事件. 車，也就是說，兩車之間的距離為. 輛之間的距離為指數分佈，在 3.1.1 章節有討論，因此在時間 他兩車相距為. 。因為車 不會有其. 。明顯的一個結合事件只會包含兩輛車。. (a). (b). 圖 3-2. (a)向東車之間的同向結合事件 (b) 向西車之間的同向結合事件. - 20 -.
(31) 3.2.1 同向結合事件. 我們首先討論發生結合事件的兩車. 車和. 車是往相同方向移動，. 並且為了方便討論，在之後的部分我們把這類型的結合事件稱為同向結合事 件。假設 在. 車和. 車移動在東向的道路上，當一個結事件發生，. 車會. 車的西邊，如圖 3-2(a) 所示。在穿越這段道路時，因為高速車(低速. 車)之間的車間距離會保持固定距離；因此當 不會發生任何的同向結合事件。明顯的， 和. ，由於當高速車. 離開低速車. 車和 車和. 車是相同速度時， 車的速度必須分別為. 時，並不算是一個結合事件，. 因為不會有新的鄰居加入所以不會導致結合碰撞。在圖 3-1 有說明，由於高 速車和低速車經過東向道路上的每一個位置都是平均值分別為 的卜瓦松隨機變數，所以. 車和. 和. 車發生結和事件的速率可以寫成. 。 因此，一個高速和一個低速的東向車，它的同向結合事件速率可以分別 寫成:. ,. .. (5). 相同的，一個高速和一個低速的西向車，它的同向結合事件速率可以分 別寫成:. ,. .. 特別需要注意，在往西的道路裡發生的同向結合事件， 車速只能分別為. 和. ，如圖 3-2(b) 所示。. - 21 -. (6). 車和. 車的.
(32) 圖 3-3. 不同方向車之間的結合事件. 3.2.1 反向結合事件. 接著我們討論發生結合事件的兩輛車是往相反方向移動的情況，並且為 了方便討論，在本論文後面的章節統稱為反向結合事件，由於反向結合事件 發生在一個東向的. 車和任一經過. 情況的結合事件速率就會等於. 的西向車，如圖 3-3 所表示，如此. ，在 3.1 有說明。因此一輛東向車和一輛. 西向車的反向結合事件速率可以分別被寫成：. ,. (7). 注意到在發生反向結合事件時，. 只能是東向車並且. 只能是西向. 車，不管車輛使用哪種速度移動。. 3.3 每一結合事件發生的結合碰撞. 第三步，本論文計算每一結合事件發生結合碰撞的平均值。之後的討論 都是在假設分時多工的碼框時槽總數為 two-hop 的鄰居總數，也就是說，假設 總數。. ，並且. 遠大於 one-hop 和. 為某車 one-hop 和 two-hop 的鄰居. 的 機 率 質 量 函 數 (probability mass function, PMF) 可 以 寫 成. - 22 -.
(33) ，. 。超過範圍的機率可以表示成 。可以利用超出範圍的機率小於某個固定閥值. 來定義合適的. 值，舉例來說. 或是. 像 是 ADHOC MAC [12]， 就 是使 用 固定 的. 。. 值 ， 而 不是 變動. 的. A-ADHOC MAC [13]。另一方面，我們假設一個理想的隨機存取機制，因此 車輛在競爭可用時槽的過程中沒有存取碰撞，也就是說車輛在釋放使用時槽 以後可以馬上允許使用一個有效的時槽。也就是說，本論文省略了隨機存取 的過程，只專注在討論結合碰撞的情況。在第 4 章節會討論，這個假設在各 種交通情況下都可以成立。. 3.3.1 新加入的 two-hop 鄰居. 假設在. 的時間點，. 車必須是在. 車和. 車發生結合事件，向之前一樣. 車的西邊。為了討論在一個結合事件裡可能會提供結合碰撞. 的車輛，本論文必須把注意力放在相較於時間點 時候. 車和. 車都有新加入的 two-hop 鄰居。注意到. two-hop 鄰居必須在它的東邊，. 後會清楚的知道， 車和. 車新加入的 two-hop 鄰居，在之. 車的新加入的 two-hop 鄰居的平均值會相同於. 時，. 車，. 車新加入的 two-hop 鄰居數，本論文必須先. 時，最遠的 one-hop 鄰居。令. 車之間的車輛組成的集合，如圖 3-4 顯示， 換句話說，. 車新加入的. 車互相對稱。. 為了找到在 找到在. 的. 車新加入的 two-hop鄰居必須在它的西邊。. 為了更簡單的說明，本論文只討論位在. 由於. ，在時間. 為在 為在. 。它的機率質量函數可以因此被寫成:. - 23 -. 時，. 車和. 裡的車輛總數，.
(34) (8). 明顯的在. 的時候，所有在. one-hop 鄰居。為了簡單的說明，假設 也就是說 件. 。定義 ，當. 為. 集合裡的車都會是 時，. 集合裡離 ，隨機變數. 車的. 車的地理位置做為原點， 車最遠的車輛距離。給定條. 的條件機率分佈可以因此被發. 現為. (9). 注意如果. 則. 圖 3-4. ，由於. ，其中. 說明可能發生結合碰撞的部分. - 24 -. 是步階函數。.
(35) 給定. 且. ，車輛在. 範圍裡的車就會分別代表 3-4 表示。定義. 和. 範圍裡和車輛在. 車在. 和. 分別由在. 輛組成的集合，且令. 範圍裡和在. 和. 時. 的車. 。明顯的在. 新加入的 two-hop 鄰居會被包含在 且. 的 two-hop 鄰居，如圖. 。 給定條件 和. 時， 並且. 車 ，當. 的結合條件機率質量函數可以表. 示為:. (10). 如同之前所說的，注意到當. 則. ，並且因此. ，這會導致算. 式(10)可以寫成. (11). 給定條件在. 時，. 和. 的結合條件機率質量函數可以因此被寫成:. (12). 當. ，並且算式(12)可以利用數值分析的方式[15]來計算。. - 25 -.
(36) 3.3.2 重複的 two-hop 鄰居. 需要注意在. 裡有些車輛使用跟. 些車輛在這段道路上移動時，會和 因此，隨著. 車一樣速度和相同移動方向。這. 車會保持固定距離在. 的變動會改變這些車輛是否為. 這些車輛曾經為. 之間。. 車的 two-hop 鄰居。假如. 車的 two-hop 鄰居，那它們很可能就會使用跟. 車不. 同的的時槽。此外，如同在 3-2 的說明，在反向結合事件中一個東向車(西向 車)只能扮演 都會是. ( )。如果. 是一輛低速車，所有在. 的 two-hop 鄰居，由於在高速東向車經過. 漸漸增加，也就是說，高速東向車再進入. 裡高速東向車全 以後他們的距離會. 之前會先進入. 當發生一個反向結合事件，上述情況不只會發生在低速東向的 也會發生於低速西向的. 車對環境. 的範圍裡。 車，同時. 車。. 車速. 重複的 two-hop 鄰居. 單向. 相同方向且同速度. 單向. 相同方向且同速度. 雙向. 相同方向且同速度. 雙向. 相同方向. 表 3-1 東向車或西向車重複的 two-hop 鄰居. 總而言之，高速的車不管在同向結合事件或反向結合事件和低速車在同向的 結合事件，在. 裡重複的 two-hop 鄰居都是考慮相同方向且相同速度的車，. 但如果是低速的車在反向結合事件中，在. 裡重複的 two-hop 鄰居只需要. 考慮相同方向的車，不管它是高速車還是低速車，如表 3-1。 - 26 -.
(37) 為了去計算. 車的在. 所有重複的 two-hop 鄰居，假設. 是高速. 東向車、低速東向車、高速西向車和低速西向車，本論文定義 和 論文也定義. 分別為在 和. 裡和. 分別代表在. 同速度且同方向的車輛；此外，本 裡東向車和西向車的總數，當如果. 分別為低速東向車和低速西向車。給定條件. ，明顯的知道. 的白努力隨機變數，並且為了簡單說明， 和對應的 個二元組 (. ) 分別代表. 在給定. 時， 的條件機率質量函數可以被寫成:. 為. 會被定義為一 或. 。. (13). 和. 的條件機率質量函數在. 和. ，可以被表示. 成下列算式:. (14). 3.3.3 結合碰撞的機率. 在. 時，. 車的所有 one-hop 和 two-hop 鄰居為. 時，新加入的 two-hop 鄰居為. ，如圖 3-4 所示，如果. 的所有 one-hop 和 two-hop 鄰居總數為 - 27 -. ，且在 ，. 車在. 。另一方面，.
(38) 在. 時，所有的. 的車都必須是. 都必須是任一輛在 在. 時，. 的 one-hop 鄰居，表示車輛在. 裡的車的 one-hop 或 two-hop 鄰居。明顯的. 的車輛是. 車和. 的車輛公用的 one-hop 或. two-hop 鄰居。根據理想的隨機存取機制， 槽一定是在未被 ，如果. 車和. 的車輛使用的時. 車輛使用的時槽裡，也就是說在. 車使用的時槽相同於. 。在. 的車輛使用的時槽，一個結合碰. 撞就會發生。如此結合狀的機率是. 。. 為了簡單的說明，本論文使用 來代表下面其中一個隨機變數：. 和. ，分別表示在同向結合事件或反向結合事件裡高速東向車或高速西向車 的結合碰撞發生數量；. 和. 分別表示在同向結合事件裡低速東向車和. 低速西向車的結合碰撞數量；. 和. 分別表示在反向結合事件裡低速東. 向車和低速西向車的結合碰撞數量。明顯的 機變數給定條件在 組. 和. ， 和其對應到的. ，等於. 定條件在. 是成功機率為. 白努力隨. 被定義成一個二元 和(. )，給. 時，條件期望值可以寫成:. (15). 的期望值可以被表示成:. (16). - 28 -.
(39) 注意到算式(15)，假如 車和 也包誇了. ，. 車在. 重複的 two-hop 鄰居. 的車輛的 one-hop 和 two-hop 公同鄰居在 車和其他在 裡的. 只有在 時，同時. 車。因此，結合碰撞機率可以寫成. 。. 3.3.4 結合碰撞的平均速率. 最後，高速東向車和低速東向車的結合碰撞速率可以分別被表示成:. (17). 同樣的，高速西向車和低速西向車的結合碰撞速率可以分別被表示成: (18). - 29 -.
(40) 第四章. 模擬結果與討論. 本 論 文 使 用 matlab 來 撰 寫 模 擬 環 境 和 數 學 分 析 ， 模 擬 環 境 參 考 VeMAC[17]，並比較模擬和數學分析的結果。. 4.1 結合事件速率. 本論文的數學分析和計算機模擬，可以透過 網路的效能，. 代表. ,. ,. 通密度的情況。令. ,. 和. 。單向和雙向的高速公路會考慮不同交. ，單向公路設定. 向公路設定. 評估車載隨意. 或是. ，且雙. ，也就是說，兩個方向的交通密度是相等的。. 明顯的， 根據算式(5)和(6)，當考慮單向高速公路時 ，考慮雙向高速公路被時，. 且. 且. ；. 換句話說，每一輛車不管使用高速或低速，在單向高速公路發生結合事件的 速率為. ，在雙向高速公路發生結合事件的速率為 3. 式(17)和(18)，當考慮雙向的高速公路， 向高速公路時， 表. 或. 代表. 或 。. - 30 -. 且. 。此外，根據算 。因此，在單. ，在雙向的高速公路. 代.
(41) 4.2 結合碰撞速率. 表 4-1 表示模擬的參數，每個碼框被切成 100 個時槽，每台車通訊範圍 150m，並且考慮三種不同的交通密度。低密度的 /秒)，也就是說，. 是從 0.0336 到 0.0528 (車. 是從 0.0014 到 0.0022 (車/公尺)。中密度和高密度. 分別為低密度增加 10 倍和 50 倍， 分別從 0.336 到 0.528 (車/秒)和 1.68 到 2.64 (車/秒)。. System parameter. Value. Slot Duration. 1 ms. T (Slots/Frame). 100. R (Transmission Range). 150 m 30 m/s 20 m/s. 表 4-1 圖 4-1 到 4-8 之模擬參數表. 在圖 4-1 到 4-6，分別顯示. 在不同的交通密度和單向或是雙向的高速公. 路的環境下的值，明顯的，在雙向高速公路的環境下， 值是高於在單向的 高速公路的環境，由於雙向的環境下結合事件發生速率是高於單向的環境。. - 31 -.
(42) 圖 4-1 單向低密度. 圖 4-2 雙向低密度. - 32 -.
(43) 圖 4-3 單向中密度. 圖 4-4 雙向中密度. - 33 -.
(44) 圖 4-5 單向高密度. 圖 4-6 雙向高密度. - 34 -.
(45) 圖 4-7 和圖 4-8 分別代表在所有交通密度下，單向高速公路和雙向高速公 路的. 值。首先，數學分析(線)和計算機模擬(離散點)的值非常接近，表. 示本論文的分析模型在任何密度下有非常準確的值。如圖 4-7 和圖 4-8表示， 值在中密度和高密度會有比較明顯的差異，當車輛使用不同的交通環 境和車輛速度。. 再來，可以看出雙向的高速公路結合碰撞的發生速率比單向高速公路高， 除了前面提到的結合事件速率外，可以看出在雙向的高速公路. 值會比. 單向的高速公路要來的高。. 第三高速車的. 值是高於低速車，如前面提到不管高速或低速發生結合事. 件的速率都會一樣，因此，很明顯的是因為. ，在 3-3 有說明，重複的. two-hop 鄰居，也就是 U 值，在同向結合事件和反向結合事件裡低速車是 大於高速車，由於對應到的. 在任一種的結合事件中，低速車都是小於高. 速車。根據算式(15)和算式(16)，較大的 U 值會導致較小的 在圖 4-7 和圖 4-8，高速車的. 。因此，. 都是大於低速車。. 最後我們平反了理想存取的機制。如圖 4-1 到圖 4-6，. 在. 所有交通密度下都成立。因此一輛車平均一次的結合碰撞發生速率是大於 40s，根據表 4-1，就等於 400 碼框，一般來說只需要幾個碼框就可以解決 一個存取碰撞[13]和[17]，因此，假設理想的存取機制是有效的。. - 35 -.
(46) 圖 4-7 單向. 圖 4-8 雙向. - 36 -.
(47) System parameter. Value. Slot Duration. 1 ms. T (Slots/Frame). 50. R (Transmission Range). 150 m 30 m/s 20 m/s. 表 4-2 圖 4-9 到 4-12 之模擬參數表. 如表 4-2，圖 4-9 到圖 4-12 使用每個碼框分成 50 個時槽，分別顯示低密 度和中密度的. 值，對應到使用每個碼框為 100 個時槽的情況， 值明顯大. 了將近 2 倍，由於算式(15)中，S 小了 1/2 倍，所以最後的. 會大了兩倍，. 其中由於 S 值遠大於 U，於是 U 的效應就不明顯。因此，可以清楚的知道， 當每個碼框分割成越多的時槽數，除了可以降低存取碰撞發生情況[13]，同 時也可以有效的降低結合碰撞發生的情況。. - 37 -.
(48) 圖 4-9 單向低密度(時槽 50). 圖 4-10 雙向低密度(時槽 50). - 38 -.
(49) 圖 4-11 單向中密度(時槽 50). 圖 4-12 雙向中密度(時槽 50). - 39 -.
(50) 第五章. 結論. 這本論文中，提出一個分析模型來計算結合碰撞發生的平均速率，並且數 學分析跟模擬的結果非常接近，還有觀察到高速車發生結合碰撞的速率比低 速車來的高，還有雙向高速公路環境的結合碰撞發生速率是高於單向高速公 路環境，最後還得知碼框分割成更多的時槽，也就是說一個碼框的時槽總數 越大，可以有效的降低結合碰撞發生速率。. 在未來，我們會研究可變碼框時槽數、車速為高斯隨機變數的結合碰撞情 形。. - 40 -.
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