基於位置與方向之車載網路預先換手機制

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國立臺中教育大學資訊科學學系碩士論文

指導教授：張林煌博士

基於位置與方向之車載網路

預先換手機制

The position and direction based

pre-handover scheme in VANET

研究生：簡鈺軒撰

中華民國 100 年 7 月

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摘要

由於無線網路技術的快速發展與普及，帶動車用行動通訊網路的進步使得車載網

路(Vehicular Ad Hoc Network, VANET)的議題備受關注，藉由無線通訊與資料傳輸技

術以進行資訊交換，當訊息能有效的傳達時，將有助於提供一安全且舒適之行車環境。例如，交通意外與通路擁塞等路況資訊以及語音通話與影音串流應用等服務。 VANET 環境中車輛高速行駛將導致網路拓樸經常性且快速的改變，更受到道路與交通號誌等實體因素的限制，容易造成網路斷線影響傳輸效能，尤其是於市區街道交叉路口時影響情況更為嚴重。因此於 VANET 中，如何有效的傳輸資料將為一大挑戰。而如何在快速移動中且不斷變更網路拓樸的 VANET 中，維持較佳的通訊及有效的網路切換，為本論文預期改善之重點。

車輛中所裝載之全球定位系統(Global Positioning System, GPS)可取得位置資

訊，以輔助行車定位之用。本論文將藉由 GPS 所提供的位置資訊與 OBU(Onboard

Unit, OBU)中的車輛行駛方向訊號(Turn Signal)，設計一用於車載網路市區街道交叉路口中，以位置及方向為決策的預先換手 (Position and Direction based

pre-handover, PDHO)機制，以解決傳統行動網路中以訊號強度作為換手決策所造成的問題；例如，換手延遲、乒乓效應等導致效能降低。本論文使用網路模擬軟體

NS-2(Network Simulator 2)作為模擬 VANET 環境及所提出之換手機制效能評估。關鍵字：車載網路、換手機制、MIH

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Abstract

The development and popularization of wireless Network technologies improve the Vehicular Ad Hoc Network (VANET), the issue of VANET has received grate attention, and more and more VANET-related researches have been brought up. With wireless communications and data transmissions technology in VANET, the vehicles can exchange information to each other. When the information can be transmitted efficiently, it will be helpful to provide a safety and comfortable traffic environment for driving. For example, the road condition of accident and traffic congestion, the application of VoIP and multimedia.

The performance will be degrade when the network disconnection, it’s due to the high speed mobility of vehicles and road limitation that will high rapidly changing network topology, especially at the intersection of roads. It is an important challenge for data transmission in VANET. Therefore, we will focus on the transmission reliability as well as the latency and packet dissemination in VANET.

Use the Global Positioning System (GPS) to obtain the geographic information and assist positioning for vehicles. In this research, we using the feature of the vehicles develop a Position and Direction based pre-handover scheme (PDHO) for handover in the intersection of VANET. That resolved the inefficiency of handover in the traditional Mobile Ad Hoc Network (MANET). For example, latency, ping-pong effect. We use the Network Simulator 2(NS-2) to take simulations for VANET and the PDHO scheme, the performance of handover can be significantly improved.

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iii

誌謝

這篇研究論文得以順利完成，首先感謝三年來一直細心教導我的林煌老

師。感謝老師在學習上所給予我的支持與鼓勵，並在鈺軒遇到困難時能適時的

給予我提點與豐沛資源，讓我能從逆境中學會堅強與解決問題的能力。

而在研究的過程中，少不了陪伴我學習成長的良師益友，謝謝俊輝學長、

懷興學長、冠孙學長、柏勳學長、朝棨學長、祐正學長在論文及程式上給予我

建議與協助，此外，也非常感謝已畢業並於業界工作的學長們提供的寶貴經驗

與資訊，讓我們可提早了解並有所準備。

謝謝八隻眼小白、風哥、momo 與 double k 智鈞、丞均、及其它學長姊、

同學、學弟妹們一路上的陪伴與分享，豐富了我研究所生活。謝謝小百合與鄭

姐，給予我們一個和藹可親的系辦，讓我們備受溫暖，以資科系為榮。謝謝史

上最帥七公斤一點也不胖的點點，每天在家等待姊姊並在我忙完一天回到家時

用力來個前空翻，露出軟棉棉的大肚子給姊姊模，清除我一整天的疲勞，不僅

每天早上我鬧鐘都還沒響就很盡責(雞婆)的叫我起床，還不時擺出好笑的睡姿

與機車的表情，讓我每天回家看到你，心情都好了一大半，謝謝你陪伴我這漫

長的三年，讓你在密不通風又狹窄的小套房裡待了整整三年，辛苦你了。

最後，感謝養育我的爺爺、奶奶與媽媽及默默在背後支持我的家人、鴻毅與點點，因為有了您們的包容與支持，讓我在求學的過程中能無後顧之憂的往前邁進，適時的給予我溫暖與關懷，讓我有再次出發的勇氣與堅忍的毅力，持續朝我的理想及目標前進，謝謝您們!

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摘要 ... i Abstract ... ii 誌謝 ... iii 目錄 ... iv 表目錄 ... v 圖目錄 ... vi 第一章、緒論 ... 1 1.1 研究背景 ... 1 1.2 研究動機與目的 ... 4 1.3 論文架構 ... 5 第二章、文獻探討 ... 6 2.1 VANET 簡介 ... 6 2.2 IEEE 802.21 簡介 ... 11 2.3 車載行動管理相關研究 ... 16 第三章、PDHO 換手機制 ... 20 3.1 PDHO 換手機制之流程 ... 20 3.2 基於 VANET 之預先換手機制 ... 23 3.3 基於 VANET 之換手門檻 ... 25 3.4 基於方向與位置之換手決策 ... 27 第四章、效能分析 ... 31 4.1 系統模擬環境參數 ... 31 4.2 實驗模擬與分析 ... 32 第五章、結論與未來研究方向 ... 46 5.1 結論 ... 46 5.2 未來研究方向 ... 47 參考文獻 ... 48

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表目錄

表 1 各式無線通訊接取技術綜合評估分析[19] ... 8

表 2 模擬環境參數設定 ... 31

表 3 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能 ... 36

表 4 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能... 39

表 5 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能 ... 42

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圖目錄

圖 1 各應用於 VANET 通訊系統之示意圖[19] ... 7 圖 2 WAVE 架構圖[4] ... 9 圖 3 MIHF 模組訊息溝通示意圖[6] ... 11 圖 4 連結事件與 MIH 事件[6] ... 12 圖 5 遠端 MIH 事件[6] ... 12 圖 6 連結命令與 MIH 事件[6] ... 14 圖 7 遠端 MIH 命令[6] ... 14 圖 8 PDHO 換手流程 ... 21 圖 9 MIH 事件流程圖[6] ... 24 圖 10 封包接收功率強度門檻值 ... 25 圖 11 交叉路口情境示意圖 ... 28 圖 12 市區街道交叉路口示意圖 ... 32 圖 13 實驗路線示意圖 ... 33

圖 14 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path A) ... 34

圖 15 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path B) ... 35

圖 16 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path C) ... 35

圖 17 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path A) ... 38

圖 18 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path B) ... 38

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vii

圖 20 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path A) ... 40

圖 21 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path B) ... 41

圖 22 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path C) ... 41

圖 23 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path A) ... 43

圖 24 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path B) ... 44

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第一章、

緒論

本章節主要說明車載網路(Vehicular Ad Hoc Network, VANET)的研究背景，針

對快速行駛下使用無線行動網路所面臨的問題提出研究動機與目的，最後為本論文

的架構。

1.1 研究背景

因應車用行動通訊網路的發展，由行動隨意網路(Mobile Ad Hoc Network,

MANET)所延伸出的車載網路 VANET 具下列特質： (1) 由於車輛快速行駛進而導致網路拓樸經常性且快速的改變。 (2) 其網路拓樸與車輛的行進路線將受某些實體因素所限制，例如，道路方向、速度管制、交通規則、交通號誌等。 (3) 無需擔憂能源耗損方面的問題，因為車輛可自行產生電力或儲存足夠的電力供通訊設備使用。

(4) 車輛可裝載某些特定裝置，例如，全球定位系統(Global Positioning System,

GPS)，可藉此取得車輛相關資訊(如地理資訊、速度、移動方向等)。

VANET 以電子電機工程學會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,

IEEE)中的 IEEE 802.11 通訊協定為基礎，並延伸出 IEEE 802.11p(Wireless Access

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中，draft 為 11.0 版本[1]。其中實體層(Physical Layer, PHY)採用 IEEE 802.11a 之

規格，而相關應用如：資源管理、安全機制控管、頻道切換、電子收費等，於 IEEE

Std 1609 系列標準中各司其職[2][3][4][5]。

通訊模式主要以車輛間相互傳遞訊息之車間通訊(Vehicle-to-Vehicle, V2V)及車

輛與路邊基礎設施通訊的車路通訊(Vehicle-to-Infrastructure, V2I)兩種。V2V 模式以

車輛中所裝載的車載單元(Onboard Unit, OBU)進行直接或多跳(multi-hop)傳輸，而

V2I 則透過建置於道路邊之路側設備(Roadside Unit, RSU)存取網際網路，如，base

station 或 access point (AP)。在 VANET 中車輛移動下如何有效的行動管理將是首要解決的，[7] 中提到可藉由拓樸管理、位置管理、換手管理等以達理想的行動管理

成效。如何提供有效的行動管理，可朝下列幾個方向進行著手[13]：

(1)無縫式移動：無論車輛的位置或所使用的網路技術皆能提供移動中的車輛擁

有可存取且連續不中斷的連線。

(2)快速且垂直換手：在智慧型傳輸系統(Intelligent Transportation Systems, ITS) 中許多應用服務注重網路延遲時間，如，交通意外、安全方面等較急緊且即時性較

高的服務，因此快速的換手是必要的。

(3)IPv6 定址：在 VANET 環境中為了達到全球節點可達(Global reachability of

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可用 IP，此外 IPv6 亦能支援安全與 QoS (Quality of Service)方面的服務，因此在

VANET 中加入 IPv6 是較佳的。

(4)支援 Multi-hop 通訊：在 VANET 中可藉由 Multi-hop 模式延伸移動車輛的傳

輸範圍，使其能更有效的傳輸並抵達傳送目的地，因此，若能提供較佳的路由或廣播以增進 Multi-hop 傳輸模式便能使移動管理更有效率。 (5)擴充性(Scalability)與效率：在 VENET 中移動節點數量龐大且切換網路極為頻繁，因此移動管理必需是更具擴充性且有效率的支援不同類型的流量。為了達到上述目標，許多相關議題持續廣受探討與研究，若 VANET 環境的行動管理若能符合上述要素，使駕駛可不受限制，隨時隨地且有效率的存取網路服務，

並帶給 VANET 使用者更完善與方便的網路環境，使 ITS 於 VANET 中發揮最佳效益。

其中 IEEE 802.11p 的 draft 中只對 VANET 的需求提出符合各種應用之架構，

當車輛快速的於道路中移動時會造成車輛與 RSU 間產生頻繁的切換動作，對此部分

IEEE 802.11p 的 draft 中尚未明確定義相關換手程序，因此本論文將針對 VANET 中換手問題進行改善。

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1.2 研究動機與目的

在快速行進且不斷變更網路拓樸的 VANET 中維持穩定的通訊，並且當網路間進行切換時若能有效的執行換手程序，將有助於資訊的傳遞與交換以提供相關資訊給駕駛，例如，道路發生意外或交通擁塞等情況、電子地圖定位與導航、其它相關應用服務的使用等，因此提供一舒適且安全的 VANET 環境給駕駛人是必要的。而其中由於 VANET 的特性與限制，如移動速度快、道路與交通號誌等限制，將導致網路拓樸快速的變動以導致網路斷線進而影響整體網路的傳輸效能。上述現象於 V2I 傳輸模式下的市區街道交叉路口中將更容易發生，若以傳統的換手程序以訊號強度作為換手決策，當車輛行經交叉路口時可能處於多個 RSU 涵蓋範圍下且受附近建築物的影響下，將產生乒乓效應、連線不穩定、干擾等情況，導致車輛無法適時的切換合適之 RSU，造成頻繁的切換網路、換手延遲等，影響整體傳輸效能。而為了解決傳統網路中以訊號強度為換手決策所造成的問題並達到前章節所提的有效移動管理目標，本論文將針對 VANET 中的 V2I 傳輸模式下的換手議題進行

探討，在此藉由 GPS 與 OBU 取得位置與車輛行駛方向訊號(Turn Signal)資訊並結

合媒介獨立換手(Media Independent Handover, MIH)，根據 VANET 中車輛的特性

以設計一適用於市區街道交叉路口中能有效切換 RSU 以存取網路之預先換手機

制，使車輛於交叉路口時能準確並快速的選擇較適合的 RSU，維持較佳且穩定的網

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1.3 論文架構

本論文架構共分為五個章節，分別敘述如下，第一章即為緒論與說明本論文之動機與目的；第二章的為 VANET 簡介與相關的換手決策及方向性路由等研究之介紹與探討；第三章將介紹本論文所提出之 PDHO 換手機制與流程；第四章針對本論文所提出的架構進行模擬與效能分析；最後，第五章為本論文之結論與未來研究。

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第二章、

文獻探討

由於本論文將設計一於 VANET 環境下結合 IEEE 802.21 之預先換手機制，因

此本章節將分別針對 VANET 與 IEEE 802.21 進行簡介，接著探討 VANET 中以位置

為導向之相關研究。

2.1 VANET 簡介

於 VANET 環境中依通訊距離可分為主要四種通訊類型，為：車內通訊、車間

通訊、車外通訊、車路通訊，圖 1 為各類通訊之應用示意圖[19]。下列為四種通訊

模式相關類型[19]。

(1) 車內通訊：Bluetooth (BT)、Ultra-wideband (UWB)等。

(2) 車間通訊：Microwave、Infrared、Dedicated Short Range Communications (DSRC)等。 (3) 車外通訊：3G、3.5G、Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX)、GPS 等。 (4) 車路通訊：Microwave、Infrared、DSRC 等。於上述四種通訊模式中模式通訊距離最短的為車內通訊模式，其主要提供於車輛內部空間中車載裝置間的使用，如，OBU、行動設備等，涵蓋範圍約一至數十米左右。車外通訊則為車輛與外界的通訊設備進行通訊，其通訊距離為最長且可於較高的移動速度狀態下進行通訊，主要於行動通訊與地理定位，如 3G、GPS 所使用，涵蓋範圍可達數公里至數百公里左右。車間通訊與車路通訊主要為相同的技術應用於不同的情境模式下，通訊涵蓋範圍約為數百公尺至一公里左右。

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圖 1 各應用於 VANET 通訊系統之示意圖[19]

於 VANET 通訊模式又以車輛間相互傳遞訊息之車間通訊(V2V)及車輛與路邊基

礎設施通訊的車路通訊(V2I)兩種為主，其中 V2V 應用模式為雙向的點對點傳輸，可

用於車間緊急訊息交換，如防撞訊息等，為即時性較高之應用。而 V2I 則為車輛於

定點下向 RSU 取得資料，如電子道路收費系統 (Electronic Toll Collection, ETC)、

資訊下載等。

此外，依據不同實體介質的穿透力及其傳輸速率其傳輸效能，其涵蓋範圍將會

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8 而車輛的移動速度對通訊效能亦會受到實體介質的不同而有所差別。表 1 為各式無線通訊接取技術綜合評估分析[19]。表 1 各式無線通訊接取技術綜合評估分析[19] 評估項目通訊模式覆蓋範圍傳輸速率主要應用車內藍芽(BT) WPAN: 1~10m 720 kbps~3 Mbps 免持聽筒/ 無線接取介面超寬頻 (UWB) WPAN: a. 1~3m, b. 3~10m a. 480 Mbps b. 110 Mbps 鄰域超高速資料傳輸/ 無線接取介面車外 WiMAX WMAN: 3~50km Mobile: 2~15 Mbps Static(fixed): 70 Mbps 移動下廣域資料傳輸/ 定點式高速資料傳輸行動通訊 (cellular systems) WWAN: 35km~120km 2.5G: 114 Kbps 3G: 384 Kbps 3.5G: 7.2 Mbps 行動電話/ 多媒體資料傳輸 GPS 衛星 _{約 20000km 左右}WWAN: 9.6 Kbps 地理定位車路微波 10~50m (depend on power) 數十至數百 kbps 自動電子收費紅外線 10~50m (line-of-sight) 數十至數百 kbps 自動電子收費 Wi-Fi WLAN: 10~100m Ideal: 11a: 54 Mbps 11b: 11Mbps 11a: 54 Mbps 定點式短距資料傳輸 DSRC WLAN: 300~1000m Mobile: 3~27 Mbps 動態/定點式短距資料傳輸車間微波 10~50m (depend on power) 數十至數百 kbps 移動下短距資料傳輸紅外線 10~50m (line-of-sight) 數十至數百 kbps 移動下短距資料傳輸 DSRC WLAN: 300~1000m Mobile: 3~27 Mbps 移動下短距資料傳輸

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IEEE 802.11p 是由 IEEE 802.11 標準針對車用行動通訊網路所延伸擴充而來的通訊協定，於車用電子中的無線通訊系統使用，提供 ITS 與智慧型車輛(Smart Car)

等相關應用，其中以車輛間的車間通訊及車輛與路邊基礎設施通訊的車路通訊為主要通訊模式，而與 RSU 主要以 5.9 GHz 頻段進行資料數據的交換。此外，應用層面部分則是由 IEEE 1609 標準基於 IEEE 802.11p 通訊協定所制定的，主要目的即為提供 OBU 中的行車資訊，例如，引擎、傳動系統、煞車等，與 RSU 進行溝通。例如，資源管理、安全機制控管、頻道切換、電子收費皆由 IEEE 1609 系列標準 [2][3][4][5]各司其職。圖 2 為 WAVE 之架構圖[4]。圖 2 WAVE 架構圖[4] IEEE 1609.1 主要功能為資源管理。此標準制定用於 WAVE 環境中的無線存取方式，允許應用程式與 OBU 和 RSU 之間的通訊，目的是引導資料的交換。Resource

manager (RM) 制訂於 IEEE1609.1 中，使遠端應用程式 Resource manager

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(RCP)進行通訊。而 RM 主要的目的就是引導 RMA 與 RCP 間的資料交換。藉此標準的建立，使得 WAVE 能建立完全互通(Complete interoperability)的通訊環境，使

得 OBU 與 OBU 之間或 OBU 與 RSU 之間可以有效的互相通訊。

IEEE 1609.2 其前身為 IEEE 1556 標準，主要負責 IEEE 1609 標準中的安全機制。目標在定義安全訊息格式、處理 WAVE 系統中的安全訊息、定義 WAVE 管理訊

息與加密方法、以及安全訊息例外處理。

IEEE 1609.3 主要定義在網路層與傳輸層的 WAVE 網路服務，可對應至 OSI

網路模型第三層、第四層。在 WAVE 環境提供高品質的通訊服務，規範了 WAVE

system address、routing services、IPv6 與 WSM 的服務，而制定目的在於定址與路由的服務。 WAVE 的管理機制是由 IEEE 1609.3 中的管理實體層 WAVE

management entity (WME)負責，所有的應用程式要使用 WAVE 做為傳輸媒介時，

都必頇先向 WME 進行註冊。

IEEE 1609.4 專門負責頻道切換。WAVE 系統特點在於同一傳輸媒介可在不同的頻道切換，以達到不同應用之需求。因此 IEEE 1609.4 提供頻帶的協調與 MAC

sublayer 的管理功能，如:頻道路由、使用者優先權、頻道協調、MSDU 傳輸等，大致上是以 IEEE 802.11 MAC layer 功能為主進行改進。

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2.2 IEEE 802.21 簡介

IEEE 於 2004 年 2 月成立 IEEE 802.21[6]工作小組，並稱之為 MIH，主要提供三種服務，分別為媒介獨立事件服務(Media Independent Even Service, MIES)、媒

介獨立命令服務(Media Independent Command Service, MICS)及媒介獨立信息服

務(Media Independent Information Service, MIIS)，利用此三種服務於 802 系列與

非 802 系列網路中提供有效的行動管理，其主要堆疊架構如圖 3 所示[6]。MIHF(MIH

Function)主要將資料連結層(Data Link Layer, Layer 2)的底層網路相關訊息提供給上層網路堆疊使用，上層使用者藉此獲得這些資訊後便能更輕易且有效率的存取不同的網路。

MIH function

Event service, Command service, Information service

MIH users

Layer 3 higher Mobility Protocol (L3MP)

Network 1

(e.g., IEEE 802.16)

Network 2

(e.g., IEEE 802.11) LLC_SAP LLC_SAP M IH _L IN K _S A P M IH _L IN K _S A P M IH _S A P Command service Event service Information service Command service Event service Information service 圖 3 MIHF 模組訊息溝通示意圖[6]

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(1)媒介獨立事件服務(MIES)

MIES 主要提供 MAC 與 PHY 底層資訊給上層的 MIHF 與 MIH 使用者，如，連結性質與特徵、連結狀態改變等，如圖 4[6]所示。MIH 使用者可透過 MIHF 與遠端

MIHF 連結取得連結事件(link events)與相關訊息遠端網路狀態。如圖 5 所示[6]。

MIH User (L3 and above)

Lower Layer (L2 and below) MIHF

MIH Events

Link Events

圖 4 連結事件與 MIH 事件[6]

MIH Events

Local Entity

Remote MIH Events

Link Events

Remote Entity 圖 5 遠端 MIH 事件[6]

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本地端與遠端皆可藉由 MIES 偵測底層特性的改變及初始事件，其中主要提供

五種類型的連結事件，說明如下：

a. 網路媒介存取控制層與實體層的狀態改變事件(MAC and PHY state

change events)：當 MAC 與 PHY 層的狀態改變時所發出的訊息，如，連結事件(Link UP)。

b. 連結參數事件(Link parameter events)：當連結層的參數改變時，此事件將提供連結參數改變狀況，如，連結參數報告(Link Parameters Report)。

c. 預測性事件(Predictive events)：透過連結層的特性進行預測並傳送通知，如，即將離線事件(Link Going Down)。

d. 連結換手事件(Link handover events)：將發生於第二層的換手資訊傳送給上層，如，發起換手連結事件(Link Handover Imminent)、完成換手連

結事件(Link Handover Complete)。

e. 連結傳輸事件(Link transmission events)：提供傳輸狀態的相關訊息給上層，可藉此對緩衝區(buffer)進行有效的管理以改善資料遺失的情況。

(2)媒介獨立命令服務(MICS)

透過執行 MICS 管理和控制下層的鍵結情況，其命令由上層往下層傳送，與

MIES 相似，來自不同網路層的資訊也分為連結命令(link command)及 MIH 命令(MIH

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與遠端兩種類型，圖 6 為 MIH 使用者傳本地端的命令至 MIHF 協定堆疊[6]；圖 7

則為 MIH 使用者傳送遠端的 MIH 命令給遠端相對應的 MIHF 協定堆疊[6]。

MIH Command

Local Entity

Link Command

圖 6 連結命令與 MIH 事件[6]

MIH Command

Local Entity

Remote MIH Command

Link Command Remote Entity MIH Indication 圖 7 遠端 MIH 命令[6] 透過 MIIC 所提供一系列的命令控制連結狀態，能有助於不同網路情況下進行初始換手動作，提升換手效能。

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(3)媒介獨立信息服務(MIIS)

MIIS 主要可以收集並且取得在臨近網路的訊息，並將資料提供給上層作為換手的依據，為的是讓處於異質性網路中的行動節點或是 MIH 使用者能夠觀察整體網路

狀況，以增進網路的選擇或換手上的效率，其中，MIIS 常駐於行動節點或網路之中。

MIIS 包含三類不同類型的信息元件(Information Elements, IEs)，透過這些信息元件能夠讓網路選擇者達到更智慧的換手決定。IEs 區分如下：

a. 通用信息與存取網路具體的信息(General Information and Access Network

Specific Information)：用來描述不同網路，例如網路服務提供者(Internet

Service Provider, ISP)、不同的 ISP 網路存取費用、漫遊許可、安全性以及服務品質等資訊。

b. 接取點的具體信息(PoA Specific Information)：包含 PoA 的位置及位址資

訊、PHY 層及 MAC 層的參數又或者是傳輸速率等訊息。 c. 其它訊息(Other Information)：由供應商或網路所具體的定義其他信息。此外，MIIS 最大的功能是可提供臨近內候選異質網路資訊，幫助上層可針對這些資訊進行有效的移動管理並執行無縫式換手。 MIH 使用者藉由 MIHF 提供上述三種服務，可輕易的取得所需的資訊並維持網路連線，更提供快速且有效的換手程序，使無線行動網路的行動管理躍進一步，對於無線行動網路整體效能提升助益匪淺。

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2.3 車載行動管理相關研究

VANET 的發展促使相關的研究因應而生，如：由傳統無線網路中的路由演算法演變而成車間路由決策、有效的傳送訊息以降低交通事故、車輛快速移動下如何有效存取網路等相關應用。在 VANET 中因為網路拓樸會動態的改變，因此在封包路由上是一大挑戰，車輛的移動速度、方向皆會影響車間路由。其中[8][9][10][11][12] 皆針對車載網路特性提出有效的路由方法。在 VANET 中，處於對向車道的車輛因行駛方向相反，故連線很快就會中斷，反之，同向車輛間將會因為行駛於同方向並以相似的速度前進，可維持較長時間且穩定的連線，因此選擇相同行進方向的臨近節點進行傳輸，對連線通訊上會是較佳的決策，在[8]中依據車輛的行駛方向將車輛分群，各群被分配在專屬的單位向量中，以此建立有效且穩定的通訊，但此方法較適合在十字路口當中，無法適用於所有路況。另外在[9]中透過車輛間的速度向量來得知兩車的行進方向是否為同向，以決定較為穩定的路由，但由於 VANET 與傳統的位置路由最大的差異在於車輛的移動是頻繁且隨機的，此方法未針對目的地節點的位置加以考量，如此可能導致無效或錯誤的路由規劃。針對上列問題，[10]作者結合上述方法並修改為更適用於 VANET 網

路中的路由決策(Position-based Directional Vehicular Routing, PDVR)，透過方向

及速度向量計算傳送端(forwarding)與目的端(destination)間的角度以決定相同方向

(25)

17 (control overhead)。車間路由至目前仍然廣受探討與研究，於[11]中提出一可靠的廣播路由方法叫 RB-MP，此方法依據臨近車輛的移動方向進行分類並有效的運用位置與速度資訊與臨近車輛維持與建立路由，最後透過車輛間角度的計算選出預廣播的節點。上述方法可有效且可靠的傳送封包增進封包延遲時間。[12]中提出於車載網路交叉路口中廣播時，可能面臨到傳送給行駛於反方向之車輛，如此將浪費資源亦會對整體傳輸造成影響，因此，該作者提出以車輛的相關資訊，如位置、行駛方向等，作為方向廣播的依據，於多種案例路口中計算車輛與中繼車輛的角度並加以判斷是否為對向車輛與選擇合適的廣播中繼車輛。上列相關研究中主要探討於 VANET 中 V2V 傳輸模式下的封包傳輸路由機制，藉由車路的特性，運用位置、速度等資訊進行有效的封包路由與廣播。然而，希望於 V2V 傳輸模式下進行有效的路由，需考量是否臨近所有車輛皆願意開放各自 OBU

提供其它車輛作為中繼跳點(Relay node)，若並非所有駕駛皆願意裝載 OBU 並提供

中繼傳輸，加上隱私與安全性上的考量等。此外，由於車子的移動是非常頻繁且隨

機的，因此，要於實際車路行動通訊網路下有效實施 V2V 封包路由仍有許多問題需

克服。而 VANET 中 V2I 傳輸模式下方面主要是因為如前面章節所述，車輛以定點

下的情況進行存取網路與接收資訊，例如，交通意外與道路擁塞等路況資訊、ETC

(26)

18 線網路發展快速且廣受使用，如 WiFI、WiMAX、3G 等，其中又以 WiFi 最為普遍，若能善用現存的網路服務並有效應用必能使整體的車載網路更加方便且舒適。在此，本論文將針對於 VANET 中 V2I 傳輸模式下車輛於行進間連續性的存取網路進行探討，當面臨切換不同 RSU 時如何有效的進行換手使車輛能維持較佳的網路傳輸。其中，本論文將運用於 VANET 中 V2V 傳輸模式上已廣受探討的位置路由概念至 V2I 傳輸模式，以輔助車輛可基於位罝與方向性下選擇合適的 RSU 存取網路。另外在無線行動網路中亦為重要議題之一的行動管理與換手決策也廣受探討。在快速移動下將需面臨不同基地台間不斷的切換，如此將會導致嚴重的延遲時間及封包遺失，此兩個為影響換手效能最主要的因素，在[13]中分別針對車載網路中的 V2V 與 V2I 的移動管理進行探討與介紹，其中將可能的問題提出，並介紹相關的研究，如於車載網路中換手可能面臨位址處理的問題與車間拓樸管理等。而[14]於 IEEE

802.16e 網路中提出一 Adaptive Channel Scanning(ACS)演算法配置其掃瞄周期時間，提供最短之掃瞄時間資訊給 OBU，即在換手時，當下的 RSU 會建立有關臨近

RSU 的掃瞄時間資訊給 OBU，供 OBU 從中選擇一個最短掃瞄時間的 RSU。[15] 中為於 WiMAX 網路中利用 OBU 之位置資訊，如 Location、距離、方向以預測目標

BS(Base Station)，以降低換手的延遲。除了上述相關研究，相較於 IEEE 802.11p 原始的換手程序所造成的高延遲，[16]中提出一個跨層的快速換手機制，用於高速公

(27)

19 關資訊，達到快速換手之設定，以降低換手延遲。主要目的是利用科技來提升 ITS 的效率、安全性與便利性，讓使用者可以更便捷的使用、節省時間，進而提高整體效能。關於提升無線網路中換手效能的研究已行之有年，因應不同的應用及需求進行改進，甚至於異質性網路間之換手處理亦有極多的探討，相關的換手議題皆以針對無線網路之特性作考慮，但在 VANET 中真正因應車路狀與特性考量換手之研究尚未普遍，但此亦為 VANET 目前正棘手且待解決之主要問題之一。本論文將針對 VANET 中 V2I 傳輸模式於市區街道交叉路口環境中，面臨數個 RSU 情況下如何選擇合適的 RSU 進行探討，研究如何提升處於複雜網路環境中快速移動所造成的換手問題，本論文將利用車路之特性結合 MIH 以提供預先快速換手決策機制，提升市區街道交叉路口環境中網路使用效能，供駕駛人更完善、健全且舒服之環境。

(28)

20

第三章、

PDHO 換手機制

本章節將介紹結合 IEEE 802.21 之 MIH 於 VANET 中，適用於車載網路環境中交叉路口的換手機制。

3.1 PDHO 換手機制之流程

在 VANET 環境中，RSU 將裝置於行車燈號或高速公路的交流道中，當車輛行經裝於路旁的裝置時，便能進行資料的交換，例如，道路交通安全與管理單位的資訊等。而 OBU 則配備於行駛的車輛中，藉此回報車輛的狀況與接收 RSU 所交付的資訊。由於 RSU 皆配置於固定之地理位置，故其變動機會甚少，而車輛中因應需

求可裝載相關軟硬體，如 sensors、GPS、on-board diagnostic(OBD)、Controller Area

Network-bus(CAN-bus)等設備。

因此在車輛及 RSU 等相關資訊，如位置、方向、速度等皆可確實掌握並得知

道路與車輛情況。本論文將利用 GPS 獲得上述資訊並與車輛的行進路線相互結合

進而提供車輛較合適之存取網路。此外，本論文將結合 MIHF 所提供的三種服務來

輔助 OBU 與 RSU 之間的行動管理以順利的完成換手程序，本論文所提之 PDHO 換

(29)

21

Signal Tracking GPS Info Collector Handover Initiation

Manager PDHO Pre-handover Calculation Handover Request Manager MIHF MIH Command Manager MIHF

Link Interface Handler Connection Manager Traffic Buffer Traffic Buffer Traffic Redirector Connection Manager Connection Manager Handover Request Manager OBU RSU(Current) RSU(New) 1 3 4 6 7 8 2 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23a 5 23a 23b 23b 23c 圖 8 PDHO 換手流程圖 8 為本論文 PDHO 的換手流程，將依序說明各步驟流程，首先一開始 OBU 將會持續追蹤當下所使用之基地台的訊號強度，當達到換手的門檻值時便會由流程

(1) (2)前往通知 Handover Initiation Manager 執行即將換手的訊息並取得 OBU 與

GPS 的相關資訊，如車輛位置與車輛行駛方向訊號等，接著由流程(3)傳送一

Handover initiation request 給目前正在使用之 RSU，收到此 request 後會呼叫此

RSU 之 MIHF module，並由(4)(5)以取得 MIIS 及經由車輛位置與行駛方向訊號所計算出的較佳候選網路，由(6)傳回給 Handover Initiation Manager。

(30)

22

當 Handover Initiation Manager 接收到 MIIS 及所建議之網路將由(7)傳給 MIH

Command Manager，接著由(8)傳送一個給目前的 RSU 告知將執行換手，而(9)將由 OBU 傳達命令給目前的 RSU 的 MIHF，及目前的 RSU 將轉傳此命令給新的 RSU

的 MIH Request Manager(10)並通知新 RSU 的 MIHF(11)，且由(12)回復給目前 RSU

的 MIHF 通知可以開始進行換手程序了，當目前的 RSU 收到由新 RSU 所送之確定

可執行換手訊息後會通知 OBU 將執行換手。

OBU 將會由(13)通知 Link Interface Manager 準備連接至新的 RSU，並由(14)

告知 Connection Manager 停止目前的連線，並(15)通知目前 RSU，當收到連線中

斷訊息時將由(16)與(17)告知各自 Traffic Buffer 將目前的傳輸停止並暫存。接著由

(18)(19)與新的 RSU 建立新的連線要求及認證程序，並與 MIHF 確認此要求是否正確。當新的連線建立完成後，由(20)Connection Manager 通知 Handover Initiation

Manager 新的連線已建立，並透過(21)(22)告知舊的 RSU 與目前的 RSU 此連線已建立完成。當連線建立完成，OBU 將透過 Traffic Buffer 與舊 RSU 的 Traffic

(31)

23

3.2 基於 VANET 之預先換手機制

傳統的換手程序為當連線中斷後，才會重新掃瞄臨近是否有可用之基地台可用，進而重新進行認證與建立連線的程序。上述方法容易造成長時間的換手延遲與封包遺失的情況，而影響到整體網路傳輸效能。尤其於移動速度高之 VANET 環境中，情況必定會更加嚴重，因此若能於連線即將中斷前，觸發預先換手程序以立即掃瞄周遭是否有合適的基地台可供使用，便能避免上述問題。因此本論文將結合 IEEE 802.21 標準中之 MIHF 所提供之服務以協助車載網路

中之換手程序以提升換手整體效能。於 VANET 環境中加入 MIH，並利用 MIES 中

的預測事件 Link Going Down 訊息通知即將換手訊息，接著將車輛的 GPS 與 OBU

訊息提供給 MIHF，如車輛位置與車輛行駛方向訊號等，並由本論文所提 PDHO 換

手機制進行候選網路決策，計算出較合適的 RSU 供車輛進行換手，透過結果上述方

法，不僅可預先偵測即將換手更能依車輛行進方向選擇較適當的 RSU，可減少換手

次數降低連線中斷可能產生的問題，如此便無需像過去傳統換手程序，單純以訊號

強度作為換手決策，可能導致乒乓效應，造成頻繁的換手程序而影響網路效能。

由圖 9 中可以了解 MIH 使用者藉由本地端的 MIHF 與遠端的 MIHF 了解網

路的狀態。MIES 由下層往上層傳送，依照傳送至不同網路堆疊又分為連結事件(Link

event)及 MIH 事件(MIH event)。MIES 提供多種連結事件類型。圖 9 為 MIH 事件

(32)

24

MIH user Local MIHF Remote MIHF Lower layers

Event Subscription Event Indication Event Unsubscription LOCAL EVENTS REMOTE EVENTS MIH_Event_Subscribe.request MIH_Event_Subscribe.confirm MIH_Event.inidication MIH_Event_Unsubscribe.request MIH_Event_Unsubscribe.confirm Event Subscription (REQUEST FRAME) Event Subscription (RESPONSE FRAME) Event Unsubscription Event Unsubscription (REQUEST FRAME) (RESPONSE FRAME) Link_Event_Subscribe.request Link_Event_Subscribe.confirm Link_Event_indication Link_Event_Unsubscribe.request Link_Event_Unsubscribe.confirm Event Occurrence 圖 9 MIH 事件流程圖[6]

經由上述流程中利用 MIES 中 Link Going Down 的事件通知，當 OBU 偵測到

底層訊號逐漸衰弱時，便能提早通知觸發預先換手程序，以減少換手花費的時間，

(33)

25

3.3 基於 VANET 之換手門檻

前章節所提之 Link Going Down 訊息將由 OBU 依據由 RSU 所送之封包功率強

度(Power Level)作為是否產生之依據，而於何時傳送出此訊息，將於此章節明，如圖 10 所示，將封包功率強度定義為圖中三種門檻值，此三種門檻分別敘述如下。 RSU CSThreshold RXThreshold RXThreshold * Pr_limit_ 圖 10 封包接收功率強度門檻值 (1) CSThreshold：此參數為封包是否能被偵測之訊號門檻值。 (2) RXThreshold：此參數為封包是否能被正確接收之訊號門檻值。

(3) RXThreshold * Pr_limit_：此參數為觸發 Link Going Down 事件之訊號門檻值。其 Pr_limit_需大於等於 1，該值設定愈大表示將愈早觸發 Link Going

(34)

26

其中，當所接收到封包時其接收功率值小於 RXThreshold 即會被判斷為離線狀

態，則該封包將無法接收成功。若其接收功率值大於 RXThreshold 表示該封包可被

正確接收。而當其接收功率值小於 RXThreshold * Pr_limit_時，便會進行離線機率

計算，機率計算如公式 1。在此將設定一離線機率門檻值(Confidence)，當機率大於

所設定的門檻值時，便會啟動 MIH 換手程序中的離線事件 Link Down，進行換手至

新網路的程序。 ( _ lim _* ) _ ( _ lim _* ) pr it RXThresold avg w probability pr it RXThreshold RXThreshold    (1)

於公式 1 中，avg_w 為當下 OBU 從 RSU 所傳送的封包其接收功率值，而為了

避免由訊號衰減所導致的乒乓效應進以造成過度換手，因此其 avg_w 為十次平均後

的接收功率值，而 avg_w 接收清況將識 RSU 的 Router Advertisement(RA)相關參

數設定而變。透過上述訊號強度的追蹤，當到達設定的門檻值後，將開始進行本論文所提 PDHO 換手決策流程，如此能在 VANET 移動速快且網路拓樸變動頻繁的情況下，解決傳統網路依訊號強度作為換手決策可能造成的問題。經由前面的程序，本論文結合 MIH 並依據車輛所傳送的相關資訊可達到預先換手至適當的目標 RSU，接著將於下章節詳述如何依車輛的相關訊息進行 PDHO 換手決策。

(35)

27

3.4 基於方向與位置之換手決策

在 VANET 中主要是將基礎通訊設備建置於行車燈號與高速道路的交流道中，當車輛行經裝於路旁的裝置時，則會交換資料。OBU，則裝載於車輛中，可回報車輛的狀況與接收 RSU 所交付的資料，並與其它 OBU 互相溝通。其中由於交叉路口的交通號誌較多，當車輛經過路口時將會處於多個 RSU 重疊範圍內，路口複雜建築物等多項干擾因素可能會產生乒乓效應，造成連線不穩甚至斷線等影響到整體傳輸效能。此外，傳統無線網路中以訊號強度作為換手決策，但當車輛要重新進入新的 RSU 時需進行一個進入程序，此程序包含掃瞄、同步、測距、授權。此四種中又以掃瞄程序需耗費最多時間，而在 VANET 環境將需花費龐大的掃瞄時間並可能造成頻繁的換手程序。因此，本論文根據車子的特性，結合 GPS 與 OBU 取得車輛相關資訊，如，車輛位置、車輛行駛方向訊號等，透過可事先取得車輛行駛方向訊號得知車輛將行駛的方向後，接著再與車輛的位置與臨近 RSU 位置資訊加以計算，選出合適的換手 RSU，有別於傳統換手模式中當連線中斷後才依訊號強度選擇換手目標以重新進行連線，本篇論文將結合車載網路中車輛之特性以提供適用於車載網路之換手機制。接下來將詳述本論文之 PDHO 換手決策。

(36)

28

在此將以圖 11 交叉路口情境示意圖進行說明本論文 PDHO 換手機制，由前面

章節所本論文所提之換手流程中，將會持續追蹤當下所使用之基地台的訊號強度，

當達到換手的門檻值時便會通知 Handover Initiation Manager 執行即將換手的訊息

並取得 GPS、OBU 的相關資訊，接著傳送一 Handover initiation request 給目前正

在使用之 RSU，收到 request 後會呼叫此 RSU 之 MIHF module，以取得 MIIS 及較

佳的候選網路。在此將說明本論文 PDHO 換手機制如何提供較佳的候選網路給車輛。 C AP1 AP3 AP2 CAP 1 CAP₂ CAP 3 dAP1 dAP2 dAP3 θ3 θ1 θ2 Vc 圖 11 交叉路口情境示意圖其中 C 表示當下行經交叉路口之車輛，APn為交叉路口中臨近的基地台，數量

為 1 至 n，Vc 為車輛的行進向量，為 OBU 事先傳送車輛行駛方向訊號(Turn Signal)，

CAPn為車輛 C 與 AP1至 APn 之間的距離，θn為餘弦 cosine 1 至 cosine n。dAPn

則為車輛的行進向量與 AP1至 APn 的距離，本論文將藉由選擇最小的 dAPn作為最

(37)

29

經由 GPS 取得 C 車輛與臨近 RSU 的位置資訊，計算 C 車輛與臨近 AP 的位置

向量便能得知 Vc 與 AP 間之距離。接下來將說明公式 5 運算步驟，在此以三階段進

行解釋，分別為步驟一：計算車輛行進向量與 AP 的 cosineθ(cosθ)。步驟二：計

算θ角度。步驟三：計算 Sine θ(sinθ)取得 dAPn。

步驟一：計算 VC 與 APn的 cosineθ(cosθ)。 2 2 2 2 * * cos n n n n CAP CVc CAP CVc CAP CAP CVc CVc DX CX DY DY DX DY DX DY     (2) 其中，由事先取得位置資訊可計算出 CAPn與 Vc 2 2 n n n n CAP CAP CAP  CAP  DX DY 2 2 CVc CVc Vc CVc  DX DY n CAP C APn DX X X ， n CAP C APn DY Y Y ，DY_CVC Y_C Y_VC，DX_CVC X_CX_VC 經由上列計算可得 VC 與 APn的 cosθ。 步驟二：計算θ角度。 由步驟一取得 VC 與 APn的 cosθ後，取該 cosθ的反餘弦，即能取得 Vc 與 APn的夾角θ。 arccos n n CAP VC CAP VC   (3)

(38)

30 步驟三：計算 Sine θ取得 dAPn。 由步驟二得 Vc 與 APn的夾角θ後，可得 Vc 與 APn的 sinθ，再藉由計算 sin θ進而計算出 dAPn。 sin n n dAP CAP   (4)

計算出各 RSU 的 dAPn後，再從中選擇最小之 dAPn所屬的 RSU 為換手目標，

可從圖 11中看出當車輛 C 行經路口時，其 Vc 將與 AP2間的 dAP2 為最接近，藉此

可根據車輛行駛方向選擇較合適之 RSU 且避免頻繁的換手程序影響整體傳輸效

能。公式 5 為 dAPn之完整計算公式。

*sin *sin arccos n

n n n

n

CAP VC dAP CAP CAP

CAP VC              (5)

(39)

31

第四章、

效能分析

4.1 系統模擬環境參數

本論文使用網路模擬工具 NS-2.29[17]模擬 VANET 環境中車輛行經十字路口之換手行為。關於參數設定方面，由於 802.11p 為 802.11 發展而來並且 NS-2 尚未有驗證完成之 802.11p 模組，因此本篇將根據 M. Torrent-Morenoet al.[18]對 NS-2 中 802.11 的 PHY 層與 MAC 層設定相關參數，參數設定如表 2。表 2 模擬環境參數設定 Parameter Value 模擬範圍 1500m x1500m 模擬時間 160 sec IEEE 802.11p 基地台傳輸半徑 300 m IEEE 802.11p 傳輸速率 11 Mbps

天線(Antenna) Omni Antenna

車輛移動速率 40 km/hr Propagation TwoRayGround maxRtrAdvInterval 0.07 minRtrAdvInterval 0.03 minDelayBetweenRA 0.03 maxRADelay 0.005

(40)

32

4.2 實驗模擬與分析

本實驗將分別針對於 IEEE 802.11p 使用訊號強度之換手決策與本論文所提之 PDHO 換手決策進行換手效能分析，環境模擬如圖 12 所示，將於 1500m*1500m 的範圍中模擬市區街道並沿道路設置 RSU，而為了突顯實驗結果，因此本實驗將設置 30 個 RSU 分佈於此模擬環境中。此外，透過 NS-2 中的 Mobilenode.cc 可獲得 GPS 所提供的相關資料，例如，車輛位罝 X、Y、Z，車輛速度，方向。圖 12 市區街道交叉路口示意圖

(41)

33

於上述模擬環境中，將針對不同行經路線進行換手效能測詴，如圖 13 所示，

其中將模擬行經路線分為 Path A、Path B、Path C 三種，說明如下：

(1)Path A-Start、Path A-End：為全程直走路線之起點與終點，全長約 1500m。

(2)Path B-Start、Path B-End：依序為先右轉、左轉、左轉、右轉路線之起點與終點，全長約 2000m。

(4) Path C-Start、Path C-End：依序為先左轉、右轉、右轉、左轉路線，全長約 2000m。

Path A-Start

Path B-Start _{Path C-Start}

Path A-End Path C-End Path B-End 14.173228 pt 500m 500m 500m 圖 13 實驗路線示意圖

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34 透過上述三種行經路線量測 IEEE 802.11p 使用訊號強度之換手決策與本論文之 PDHO 換手機制，將針對 TCP 與 UDP 兩種封包之換手次數、換手延遲時間及其 Throughput 效能進行分析與比較。在此將 IEEE 802.11p 使用訊號強度之換手決策簡稱為 RSSI 以利說明。其中 TCP 與 UDP 封包皆於模擬時間第 10 秒開始傳送封包，並於模擬時間第 140 秒停止傳送，封包大小分別為 1500 Bytes 與 500Bytes，而 TCP 為傳送 FTP 類型，UDP 為 CBR 類型，傳送間隔(Interval)為 0.01 秒。首先，圖 14、圖 15、圖 16 分別為在三種行經路線的 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策對封包序號圖，橫軸為模擬時間，縱軸為封包序號。

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35

圖 15 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path B)

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36 由前面三張可看出當車輛行經各路線時，因偵測到別的 RSU 將可能進行換手至新的 RSU，其中以 RSSI 為換手決策機制即產生乒乓效應且導致頻繁的換手行為，而本論文之 PDHO 換手機制因能選擇較適合之目標 RSU，因此可避免過多的換手次數，大量節省網路掃瞄時間，以降低換手延遲時間。TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能可見表 3，可看出車輛行經各路線時造成的換手次數、換手延遲時間。表 3 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能 RSSI PDHO

Path A Path B Path C Path A Path B Path C

TCP HO Times 4 10 11 3 5 6 HO Delay (s) 1st 3.1222 0.8268 1.3223 1.5221 1.4923 1.4922 2nd 12.7223 3.1230 3.1223 0.7220 0.6928 0.6921 3rd 1.5232 1.5224 1.5224 1.5222 1.4921 1.4922 4th 38.3222 6.3222 1.5223 1.4922 1.4921 5th 6.3222 1.5223 0.6923 1.4922 6th 3.1222 3.1222 1.4921 7th 6.3222 1.5222 8th 1.5223 3.1223 9th 25.5223 3.3038 10th 3.1223 6.3223 11th 3.1223 表 3 RSSI 的換手中當於街道交叉路口時面臨多個 RSU 覆蓋範圍下，因此當車輛偵測到其它的 RSU 時將進行訊號強度的比較，掃瞄訊號較好之 RSU，並重新建

(45)

37

立連線，故會導致如此嚴重的換手延遲與繁複的換手，而本論文之 PDHO 因為可選

擇適當的 RSU 並加上 MIH 的預先換手機制，可看出本論文 PDHO 換手機制的換手

次數較原 RSSI 換手機制少且換手時間亦較小。其中於 RSSI 與 PDHO 中換手延遲

較低約如 RSSI 的 Path A 第三次換手、Path B 第一、三、八次換與 Path C 第一、

三、七次換手，PDHO 的 Path A、Path B 與 Path C 第二次換手，Path B 的第五次

換手，以上為車輛於非路口時的換手情況下所造成的換手時間。

而圖 17、圖 18、圖 19 則分別為三種行經路線下的 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO

換手決策下 Throughput 效能的表現，橫軸為模擬時間，縱軸為 Throughput，單位

為 Mbps。由圖可看 RSSI 換手機制因頻繁的換手影響 Throughput 效能，而本論文

PDHO 換手機制因能有效選擇目標 RSU，避免多餘的換手程序，再加上結合 MIH 預先換手觸發機制，因此在整體 Throughput 上較為穩定，可維持一定的 Throughput

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圖 17 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path A)

(47)

39

圖 19 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path C)

而為了明確看出 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之整體總傳輸效能，因

此計算 Throughput 總合以看出受換手次數將導致其總 Throughput 表現，如表 4。

表 4 TCP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能

RSSI PDHO

TCP Summary Throughput (Mega bits) 279.71 586.97 1119.84 495.07 716.01 1102.30 從表 4 中可明顯看出本論文 PDHO 換手機制的整體傳輸效能較原 RSSI 換手機制佳。由於 FTP 封包主要為一般非即時應用服務所使用，因此 FTP 著重於

(48)

40

Throughput 效能表現，而由前面分析結果可看出本論文 PDHO 換手機制可於

VANET 交叉路口中提供 TCP 封包較好的 Throughput 效能表現，提升整體傳輸效能。接著，量測 IEEE 802.11p 使用訊號強度之換手決策與本論文之 PDHO 換手機

制於各行經路線中傳送 UDP 封包之換手次數、換手延遲時間及其 Throughput 效

能。圖 20、圖 21、圖 22 分別為在三種行經路線下 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO

換手決策對封包序號圖，橫軸為模擬時間，縱軸為封包序號。

由圖所示，當車輛行經各路線時，相較於原 RSSI 換手機制執行了多次換手程

序，本論文之 PDHO 換手機制因能選擇較適合之目標 RSU，因此可避免過多的換

手次數，大量節省網路掃瞄時間，以降低換手延遲時間。

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圖 21 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之封包序號圖(Path B)

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UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能可見表 5，可看出車輛行經各路線時造成的換手次數、換手延遲時間。

表 5 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之換手效能

RSSI PDHO

UDP HO Times 4 13 10 3 5 5 HO Delay (s) 1st 1.0701 1.0800 1.2500 1.4864 3.4127 1.4502 2nd 2.8609 1.9799 3.1801 0.9697 1.0400 1.0334 3rd 2.1512 4.4410 1.2702 1.2380 1.3129 1.3005 4th 0.8800 0.6811 1.1709 1.2863 1.3256 5th 1.2699 1.1300 1.1602 1.3619 6th 2.8612 2.6101 7th 1.2400 1.3359 8th 0.7901 1.3599 9th 1.8101 1.7200 10th 2.1700 6.1834 11th 0.9012 12th 3.2216 13th 1.2701 從表 5 中可明顯看出當車輛行經各路徑中，其 RSSI 因以訊號強度為換手決策，當每經過一個 RSU 其訊號強度較強時便會開始進行換手，而本論文 PDHO 換手機制因可依車輛行駛方向選擇合適的 RSU，所以換手次數較原 RSSI 換手機制少。

圖 23、圖 24、圖 25 則分別為三種行經路線下的 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO

換手決策下 Throughput 效能的表現，橫軸為模擬時間，縱軸為 Throughput，單位

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的頻繁換手行為，將對整體傳輸效能造成影響，本論文 PDHO 換手機制因能有效選

擇目標 RSU，避免多餘的換手程序。

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圖 24 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能(Path B)

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表 6 為 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之整體傳輸效能，可看出車輛行

經各路線時的總 Throughput 效能表現。

表 6 UDP 封包於 RSSI 與 PDHO 換手決策之 Throughput 效能

RSSI PDHO

UDP Summary Throughput (Mega bits) 98.89 159.38 170.30 101.88 160.24 170.68 由於本論文 PDHO 換手機制能有效選擇合適的 RSU，避免頻繁的執行換手程序，因此相對於整體傳輸效能上亦能有較好的表現。由於 UDP 封包主要為即時性之應用服務所使用，因此 UDP 封包較重視延遲時間所造成的影響，而由前面分析結果可看出本論文 PDHO 換手機制可於 VANET 交叉路口中提供車輛較佳的預先換手決策，選擇合適的 RSU，減少不必要的換手延遲時間，使 UDP 封包能有較佳的傳輸效能表現，提升整體傳輸效能。由模擬結果可驗證本論文 PDHO 換手機制確實可改善 VANET 中車輛行經複雜的市區街道交叉路口中多個 RSU 重疊的情況下所面臨的乒乓效應與頻繁的換手行為，提升車輛於交叉路口中換手期間的效能，有效減少換手的延遲時間並增進網路的傳輸效能。

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第五章、

結論與未來研究方向

5.1 結論

無線網路近年來於 VANET 通訊中極為盛行，而道路間使用網際網路首當其衝即是解決車輛快速行進下跨越不同的 RSU 所需的切換動作，但目前 IEEE 802.11p 標準中使用的換手流程為原 IEEE 802.11a 之換手流程，即當車輛與 RSU 間的連線中斷後，將會進行重新搜尋鄰近其他可使用 RSU，接著進行認證建立網路連線。在此行為下，由於車輛等到訊號中斷才進行換手，易造成長時間之換手延遲及大量封包遺失的產生，降低整體網路傳輸效能。

有鑒於此，本論文在 VANET 網路環境下加入 IEEE 802.21 MIH 以達到預先換

手的服務，於即將斷線前便開始透過 MIHF 尋找新的 RSU，而本論文在此依車輛行駛特性，利用 GPS 與 OBU 取得車輛位置、方向、速度、車輛行駛方向訊號等資訊作為換手決策考量，基於位置及方向之決策更符合且有效的於 VANET 市區街道交叉路口進行換手程序，有別於一般只單純依據訊號強度來做為換手決策，需先等連線中斷後掃瞄新的存取網路，並重新建立連線，可藉此減少因多次換手程序造成的延遲時間及提升傳輸效能。最後並藉由 NS-2 網路模擬器驗證本論文所是的方法，由模擬結果顯示，本論文之 PDHO 換手機制確實能改善 VANET 街道交叉路口環境下換手的效能，降低換手延遲並提升網路傳輸量。

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5.2 未來研究方向

未來研究上，對於 GPS 規劃路徑上與換手決策的整合將會設計的更加精進，預期可即時動態更新，將能使整體效能更為提昇，以解決於 VANET 環境中快速移動且需頻繁的進行換手流程所造成之高延遲問題。而現今網路多元，愈來愈多種存取網路並存，因此，將來可針對異質性網路換手進深入探討，加入多元的換手決策考量因素，如，頻寬、費用、使用者密度等，提供使用者更彈性且方便的網路環境。此外，對於 GPS 定位誤差方面亦有改善空間，相信未來若能針對 GPS 定位精準度上加以深入探討研究，以增進 ITS 並提供更準確的資訊不僅能使駕駛安心行駛亦能保有方便穩定的網路存取服務。

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基於位置與方向之車載網路 預先換手機制

國立臺中教育大學資訊科學學系碩士論文

指導教授：張林煌 博士