以路口路段為基礎的車載網路路由研究

全文

(1)國立屏東教育大學資訊科學系碩士論文. 以路口路段為基礎的車載網路路由研究 Intersection and Section Based Routing Protocol for Vehicular Ad Hoc Networks. 研究生：張祐維指導教授：施釗德. 教授. 中華民國一百零二年七月.

(2) 以路口路段為基礎的車載網路路由研究 Intersection and Section Based Routing Protocol for Vehicular Ad Hoc Networks. 研究生：張祐維. Student：Yu-Wei Chang. 指導教授：施釗德. Advisor：Jau-Der Shih. 國立屏東教育大學資訊科學系碩士論文. A Thesis Submitted to Department of Computer Science College of Sciences National Pingtung University of Education in partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Computer Science July 2013. Pingtung, Taiwan, Republic of China. 中華民國一百零二年七月.

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(4) Acknowledgement 誌謝. 在兩年的研究所生活中，首先要感謝指導教授施釗德教授的悉心教誨，讓我可以順利的完成研究所課程取得碩士學位，並且學習到車載網路的相關理論。在學習過程中，老師總是適時指引我正確的研究方向，並且對於論文的觀念架構和格式的編排，也不斷地給予指導與啟迪，使本論文得以順利完成。而在研究過程中，老師提供了許多相關的知識與經驗，不僅讓學生藉此學習到正確的研究態度以及良好的研究方法，在此致上最誠摯的謝意。誠摯感謝口試委員王朱福教授和丁建文教授在百忙中抽空蒞臨指導，並提供許多寶貴的意見使得論文更趨完善。最後感謝研究所生涯中的室友銘聖、聖強、偉齊和實驗室的所有同學以及學長姐嚴平、世宏、志勳、文祥、雅淇，在生活中互相照應與學業上的切磋討論，有大家的相互幫助與砥礪，本人才得以順利的完成本論文。在此對於所有一起陪我走過這段時間的家人與朋友們致上最深的謝意，衷心的感謝大家。. 張祐維謹誌中華民國一百零二年七月十一日.

(5) 摘要. 在最近幾年，大部分車輛都可以搭載強大的處理單元，因此車輛將可以處理更多事情。但車輛的高移動性將會使網路的拓樸結構常常改變，使得車輛和車輛之間的通訊更加困難。. 路邊基礎設施可以提供網路的接入點給車輛使用，而透過基礎設施的有線骨幹網路，我們可以將封包傳遞到遙遠的地方。在本論文中，我們預測目標車輛未來可能的所在位置，並且建立一個可能的區域。此外，在網路中的每一台車輛都將會建立路段路由表，而這個路由表將可以幫助封包在預測的區域中更順利的路由到目標車輛。透過加入鄰居表的方式，本文的方法在預測區域中的網路負載相對於以廣播的方式將大大的減少。模擬結果也顯示本文提出的方法比起其他的路由方法有較好的結果。. 關鍵詞：車載網路、路由、路邊基礎設施。. I.

(6) Abstract. With the advances in modern technology, most of the vehicles can be equipped with powerful processing units. VANET becomes very promising in the years to come. However, the high mobility of vehicles makes the topology of network change frequently, and makes the communication between vehicles very difficult. How to solve this problem is quite challenging in this field.. Roadside unit(RSU) infrastructure can provide internet access to vehicles, therefore, RSU infrastructure can be used as a backbone for VANET routing. In this research, we make use of RSUs to predict the possible location of the target vehicle and create a possible area for the vehicle. A routing table is maintained by every vehicle, which is used to route packets to the target vehicle in the possible area. By adding the routing table, the load of networks is much reduced than broadcasting. Simulations results are given to show the improvements in comparison with previous results.. Keywords：VANETs, routing, roadside unit. II.

(7) 目錄第一章. 緒論............................................................................................................ 1. 1.1. 車載網路的簡介 ....................................................................................... 1. 1.2. 研究動機與目的 ....................................................................................... 6. 1.3. 論文架構.................................................................................................... 8. 第二章. 文獻探討.................................................................................................... 9. 2.1. 車載網路的限制 ....................................................................................... 9. 2.2. 車載網路的路由協定 ............................................................................. 11. 2.3. 相關文獻探討 ......................................................................................... 16. 2.4. 小結.......................................................................................................... 22. 第三章. 研究方法與演算法 ................................................................................. 23. 3.1. 研究方法.................................................................................................. 23. 3.2. 研究演算法 ............................................................................................. 25. 第四章. 模擬結果與分析 ..................................................................................... 29. 4.1. 模擬環境參數設定 ................................................................................. 29. 4.2. 車輛密度變動的分析與比較 ................................................................. 30. 4.3. 重複封包數量的比較 ............................................................................. 34. 4.4. 車輛速度的變動 ..................................................................................... 35. 第五章結論與未來展望 ..................................................................................... 36 參考文獻...................................................................................................................... 37. III.

(8) 圖目錄圖 1- 1：三種車載網路的可能架構[1] ................................................................ 1 圖 1- 2：重新選擇路徑[14] .................................................................................. 3 圖 2- 1：三種路由[1].......................................................................................... 10 圖 2- 2：貪婪演算法與右手規則[1] .................................................................. 12 圖 2- 3：廣播-Flooding ...................................................................................... 13 圖 2- 4：以群集為基礎路由[1] .......................................................................... 14 圖 2- 5：群集........................................................................................................ 14 圖 2- 6：以一定區域的傳輸為基礎(Geocast)[1] ............................................ 15 圖 2- 7：交叉鏈結造成的路由循環問題[11] .................................................... 16 圖 2- 8：交通運輸系統沿著固定路線行徑 ........................................................ 18 圖 2- 9：群集前端和群集尾端[6] ...................................................................... 19 圖 2- 10：車輛通訊三種情況[4] ........................................................................ 21 圖 3- 1：路口示意圖............................................................................................ 25 圖 4- 1：車輛密度為 20 時，封包投遞率的變化 .............................................. 30 圖 4- 2：車輛密度為 30 時，封包投遞率的變化 .............................................. 30 圖 4- 3：車輛密度為 40 時，封包投遞率的變化 .............................................. 31 圖 4- 4：車輛密度為 50 時，封包投遞率的變化 .............................................. 31 圖 4- 5：車輛密度為 60 時，封包投遞率的變化 .............................................. 32 圖 4- 6：車輛密度為 70 時，封包投遞率的變化 .............................................. 32 圖 4- 7：模擬時間 300 秒時車輛密度的影響 .................................................... 33 圖 4- 8：重複封包的數量 .................................................................................... 34 圖 4- 9：車輛速度對封包投遞率的影響 ............................................................ 35. IV.

(9) 表目錄表 2- 1：MANET 和 VANET 比較 ................................................................................. 9 表 4- 1：模擬參數表 .............................................................................................. 29. V.

(10) 第一章. 緒論. 1.1 車載網路的簡介近幾年來，交通環境的大力發展和人類對移動性的要求，使得運輸系統成為生活中的一個基本要素。而由於無線通訊技術的進步，車輛搭載通訊設備的情況越來越普及，運用車載網路(Vehicular Ad Hoc Networks)使車輛之間進行協調、共享及處理多種類型的資訊變得可行，目前有三種可能的網路架構運用在車載網路上：運用固定蜂巢式閘道器(fixed cellular gateways)和無線區域網路存取點(Wireless LAN access point)通訊(圖 1-1(a))、車輛之間的通訊(圖 1-1(b)) 及混和類型(圖 1-1(c))[1]。. 圖 1- 1：三種車載網路的可能架構[1]. 在車載網路之中的運用，首先想到的便是安全性方面，避免意外事故的發生或是抑止意外的擴大也是重要的課題之一。透過快速的傳遞緊急訊息的封包，讓位於事故後方的車輛能夠因為收到緊急的封包進行緊急的迴避或是繞道而行，這一項機制除了可以降低車輛直接往事故方向再撞上去造成更大災害的機率，也可以讓較遠方的車輛提前得知前方有發生事故提早改變路線，避免塞車也提供暢通的道路以便救護單位救援時能夠不受到塞車的耽誤。. 1.

(11) 安全性也是車載網路上的一項重要的議題，萬一有惡意的節點散播錯誤的訊息，這將會導致整個車載網路陷入危險的地步。若車輛遇到事故，但附近卻有惡意節點散播了沒有事故發生的訊息，除了讓事故車輛不能及時得到救援，事故不得盡早排除之外，也會影響到事故道路上的行車環境不暢通，而沒有事故卻一直回報有事故的情況之下，也會讓救護單位疲於奔命，浪費社會資源。因此透過良好的訊息信任機制也是一個受到研究學者重視的方向。. 對應到現實中人類對移動性的需求，商業方面的應用也是一塊值得去開發的項目，停車場可以透過向四周發送訊息，使得駕駛人得知停車位的訊息，進而在需要時前往停車。現實中的移動環境充滿的各種干擾，透過全球衛星定位系統 (Global Positioning System,GPS)大部分是可以準確地得到車輛精確的地理位置，但萬一遇上高架橋的環境，有時候便會造成路徑預測的誤差[10]。而現實環境中很多道路都是交錯在一起，導致在拓樸圖形上面形成交叉，對於車載網路的路由便會造成很大的影響，因此也有相關的學者[11]在鑽研並提出有效的方法來解決這樣問題。. 與行動隨意網路(Mobile Ad Hoc Network)相較之下，雖然車載網路的車輛都擁有較強大的處理單元，也可以搭載較大容量的儲存設備，但儲存的容量仍然還是有限的，如何妥善的運用有限的容量傳遞更多重要的訊息，也是受到矚目的議題[12][13]。. 2.

(12) 車載網路由於車輛的高速移動，常常原本預計可以傳輸的路徑突然發生沒有車輛幫忙傳送，或是受到干擾無法傳輸的情況，這時候就需要尋找新的路徑或是啟用備用的路徑進行傳輸，傳統的 AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector) 方法[8]利用 RRER 的封包往來源節點傳送封包，告知路徑無法使用，之後再尋找新的路徑，但一來一往多多少少會耗費時間，於是尋找備用路徑也是一個重要的研究方向，有學者提出利用中繼點的方式[14]，使得重新尋找路徑的封包不用回到來源節點才開始搜尋新的路徑，只需要退回最近的中繼點便可以減少消耗的時間，如圖 1-2。. 圖 1- 2：重新選擇路徑[14]. 3.

(13) 然而車載網路具有高移動性和經常變動的拓樸結構，可以預計到將會常常面臨網路分區的情況，這種情況也會造成持續時間很短暫的通訊，而車輛行經的地方也必然會存在著稀疏與密集的環境，在稀疏的環境之中可能沒有足夠的車輛來傳輸，而在密集的環境中可能會存在著許多建築物的干擾，透過路邊基礎設施 (Roadside unit)的有線與無線的骨幹網路彌補車載網路中網路分區的情況，也可以實現與遠方的車輛或單位進行通訊。. 在世界各地，有著許多因應車輛移動需要所建設的道路，而這些道路也組成了各式各樣的移動環境，通常可以分成兩種環境：. . 高速公路環境：在高速公路環境之下，車輛的移動性會比在一般道路更為快速，這將會導致車輛與車輛之間的通訊更容易發生斷裂，而車輛也更頻繁的建立連線，拓樸結構將會面臨時常更新的情況。而車輛速度的提高，意外事故也將會更常發生，當意外事故發生時，緊急封包的傳遞也會由於車輛的速度變得難以傳輸。不過，道路的環境反而會變得較為單純，通常都是又長又直的道路，沒有一般道路十字路口和交通號誌阻礙車輛的行進。想要在高速公路環境中順利的路由封包，需考慮到比起一般道路車輛較快的速度(大於 80 km/hr)、拓樸結構更頻繁的變動和道路又長又直的特性。. 4.

(14) . 一般道路環境：在一般道路的環境中通常又會因為車輛的分佈而大略上分為密度較高的區域和密度稀疏的區域，通常密度較高的地方都是位於都市的中心，而在都市中心的車輛分佈密度又以各大路口和交通號誌所在地為較大的區域，在都市中將會面臨建築環境的干擾和車輛密度不均的現象，干擾的現象將會導致就算在傳輸範圍內，也有可能會無法傳輸。而車輛過多的情況，太多車輛向外傳遞封包，導致網路的封包碰撞，造成封包的傳遞延遲。. 而在稀疏的環境中，車輛的密度就會給路由機制帶來一個嚴酷的考驗，密度低的情況之下，將會使得封包沒辦法順利地傳遞出去，封包傳遞不出去將會導致訊息無法流通，萬一有意外事故發生，其向外傳送的緊急封包可能無法順利到達，或是延遲了一段時間才抵達救護單位，這將使發生意外事故的車輛沒辦法在黃金的搶救時間內獲得援助。. 想要實現一個路由機制，使其無論是在密度高的或是稀疏的環境中都可以順暢傳遞封包也是一個困難的議題，這種情況需要同時考慮密度高的環境和稀疏的環境所擁有的問題，如何制定才不會顧此失彼將是對研究人員的一大挑戰。. 5.

(15) 1.2 研究動機與目的. 在全球各地，交通基礎設施的投資占了政府大部分的投資項目，而關於交通的安全性，透過在車載網路之中增加基礎設施也可以達到兩種好處： ‧ 提供網路接入的服務：讓車輛可以進行即時的緊急服務，進而減少事故發生時的通知時間。 ‧ 在密度低時轉發：讓封包可以到達更多的車輛。. 許多研究學者也針對佈署基礎設施的方面去制訂適合的策略[2]，目的就是想要讓佈屬之後的基礎設施能夠有效地在各種情況之下支援車載網路傳遞緊急訊息或一般封包。而如何妥善的利用佈署好的基礎設施去支援車載網路路由封包也成為一個重要的議題。. 現代的車輛相較於一般的行動隨意網路(Mobile Ad Hoc Network)大都搭載強大的處理單元，車輛的高速移動和受限於道路的特性使得車輛之間的網路跟隨意式無線網路不太一樣，在隨意式無線網路中有著很好效果的方法將會因車載網路的移動性、車輛疏密程度和經常變動的拓樸結構變得不適用。車載網路則因為有著這些限制通常都會擁有節點分布不均這個鮮明的特點，在城市環境中由於受限於道路，因此在交通號誌處和十字路口處通常都有著較密集的車輛節點[3]，而郊區的車輛節點密度將會較為稀疏。. 6.

(16) 在稀疏的環境中車輛將會不容易找到適合的鄰居節點來幫忙傳遞封包，可行的解決方法便是將封包暫時攜帶著，等遇到了合適的車輛再將封包傳遞出去，但車輛的記憶容量也是有限的，可能需要在封包內設立存活時間，定時的檢查記憶空間並且清理過期的封包，或是設立路邊基礎設施，利用其有線的骨幹網路將緊急的封包傳送出去和使用相較於車輛的大容量儲存設備將封包保留下來，定時的將封包廣播出去，使封包的傳遞不被中斷。. 而在類似城市中心這樣的密集環境中，無線傳輸的技術將會有很大的機會受到建築物的干擾，可能會產生在傳輸範圍內有車輛可以進行封包傳遞，但受到建築物影響傳送失敗或連接品質低下的問題。另外，車輛節點的數量也會變得龐大，封包的數量也會受到影響，這將會導致網路的負載量提高，也會讓封包的碰撞率大幅上升，而封包碰撞率越高所造成的封包傳遞延遲時間也會增加，如何解決建築物干擾和封包碰撞的問題也是一項嚴峻的挑戰。. 在無線網路之中路由是一個具有挑戰性的任務，尤其是在拓樸結構變動很快且頻繁的車載網路中。而與行動隨意網路最大不同是車載網路的節點是車輛，因此可以提供足夠的能源去裝載全球衛星定位系統，如此將可以準確地得到車輛的地理位置、車輛速度、行車方向等的重要資訊。擁有了全球衛星定位系統的準確資訊之後，透過定時的交換擁有位置、速度、方向的 beacon 封包，使得建立路由表和預測位置變成可行的方法。. 本論文利用存在的路邊基礎設施有效的將封包路由到遙遠的地點，改善其車輛與車輛之間的傳輸，並以路口路段為基礎和建立的路由表改善封包傳遞的延遲。. 7.

(17) 1.3 論文架構. 本論文的架構分為五章：第一章為緒論簡介車載網路、路邊基礎設施應用與特性以及研究動機與目的；第二章介紹與研究方向相關的文獻並進行探討；第三章針對以路邊基礎設施進行路由進行介紹，並提出本研究的演算法；第四章則為模擬實驗結果與分析；第五章以實驗結果來提出結論. 8.

(18) 第二章. 文獻探討. 2.1 車載網路的限制. 關於行動隨意網路有許多研究人員提出許多相關的路由方法，但因為車載網路跟行動隨意網路有著不同的地方，如表 2-1，導致行動隨意網路路由不能完美的套用在車載網路上，需要根據車載網路的特性進行一些修改或提出更適合的路由方法，如此才能使車載網路的路由情況更加的順暢。. 表 2- 1：MANET 和 VANET 比較 MANET. VANET. 速度. 慢(小於 10 km/hr). 快速(40 km/hr 以上). 能源及運算能力. 小且有限. 充足. 移動方式. 任意方向. 受限於街道、道路. 拓墣結構. 隨機形狀. 隨著街道、道路變化. 網路架構. 節點對節點、節點對基地台車輛對車輛、車輛對基礎設施或基地台. 傳輸範圍. 小. 大. 成本. 便宜. 較貴. 9.

(19) 車載網路因為有著種種與行動隨意網路相異的地方，制定出來的路由協定所考慮的方向就會與傳統的行動隨意網路有所不同，而傳統的 AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector)[8]和 DSR (Dynamic Source Routing)[9]在非必要的時候不用維護路由，因此，可以減少網路開銷，尤其是在小數量的網路流量上。也有研究學者針對車載網路開發單播(unicast)路由協議，單播的路由如圖 2-1(a)。也有用廣播(broadcast)來進行路由的協議(圖 2-1(b))、以位置為基礎路由(position-based)、以群集為基礎(cluster-based)(圖 2-4)和以一定區域為基礎(geocast)的路由(圖 2-1(c))，以上幾項分類將會在 2.2 節加以描述。. 圖 2- 1：三種路由[1]. 10.

(20) 2.2 車載網路的路由協定在來源與目的地之間如何去路由是一個值得去探索的技術，而在種種限制之下的車載網路中，路由這個問題尤為重要，根據文獻[1]，可以大致上將路由協定分成五類: . 傳統的路由方法：現有的 AODV 和 DSR 的技術雖然有著不需維持路徑減少開銷的優點，但事實上在長期的 VANET 環境中 AODV 並沒辦法迅速地找到、維護路徑，因此還需要進行改良才能適應 VANET 的環境。. AODV(Ad-hoc On-Demand Distance Vector)[8]於無限隨意網路中實現了路由選擇，是屬於當節點有需要傳遞封包時才會啟動機制的類型，也稱為被動式的路由。AODV 整個網路都是靜止的，除非有節點提出傳遞的訊息，此時才會進行建立路由路徑的機制，當來源節點出現傳遞的需求時，會利用 flooding 的方式傳送 RREQ(Route Request)的封包， RREQ 封包不會紀錄完整的路徑，其重要的目的就是建立出一條反向的路徑，抵達目的節點之後，就可以依靠這條反向路徑傳送 RREP(Route Response)的封包返回來源節點。而當傳送至一半發生無法傳送的情況時，將會發送 RRER(Route Error)的封包返回來源節點，並且在返回的過程中刪除目前無法傳送資訊的路徑，返回來源節點之後將會重新啟動 RREQ 封包建立新的路徑。. 11.

(21) . 以位置為基礎(position-based): 以貪婪的方法來提供車輛和車輛之間的通信。基於位置的方法使用地理座標或相對位置的節點信息來生成一個有效的途徑，最傳統的方法便是貪婪演算法(Greedy Perimeter Stateless Routing, GPSR)。但傳統的 GPSR 在某些情況時會陷入無法順利將封包傳送至目標的問題[1]，如圖 2-2(a)，當來源節點(S)將封包傳送至路口時，貪婪演算法尋找並選擇最靠近目的節點進行轉發的機制，因此選擇了距離目的節點較近的節點 N1，使得封包的傳遞進入區域最小值，傳輸範圍內的節點都比自己本身距離目的節點更遠，導致無法順利使用貪婪演算法。為了解決這個問題，使用改良 GPSR 的 GPCR(Greedy Perimeter Coordinator Routing)方法[15]，來源節點傳送至路口時，會先將封包傳給路口的節點 C1，因此找到備用的路徑，決定將封包傳遞給節點 N2。而圖 2-2(b)，節點 S 為區域最小值，套用 GPCR 的改良方法，將封包傳送給路口節點 C1，再依靠右手規則(Right-hand rule)，往逆時針方向偵測節點，因此決定將封包傳送給節點 N1，而 N1 將封包傳送至下一個路口節點 C2， C2 再一次地透過同樣的機制，最後順利的將封包傳送至目的節點 D。. 圖 2- 2：貪婪演算法與右手規則[1] 12.

(22) . 廣播(broadcast)： flooding 是其中最簡單的方法，如圖 2-3，節點 S 透過廣播的方式向鄰居節點發送封包，鄰居節點收到封包之後也透過同樣的方式向其鄰居節點發送封包直到到達目的節點 D 為止。這樣的情況容易因為訊息累積，佔用了大量的網路頻寬而使得正常的訊息難以傳輸，而發生廣播風暴的問題[16]。而廣播的方法也會造成網路中有太多重複的封包，造成網路的負擔。. 圖 2- 3：廣播-Flooding. 13.

(23) . 以群集為基礎(cluster-cased)：建立穩定的群集並選出群集的頭(header)，群集內可相互通訊，如圖 2-4。若想與其他群集進行通訊，則需透過群集的頭去幫忙進行傳輸，其中又可以分成一般成員車輛的階層跟群集頭的階層，如圖 2-5。一個穩定不容易常常變動的群集可以降低網路的負擔。. 圖 2- 4：以群集為基礎路由[1]. 圖 2- 5：群集 14.

(24) . 以一定區域傳輸為基礎(geocast)：通常都是基於地理位置的多播(multicast)路由機制，將封包的傳輸範圍限制在一定的區域，使區域內的車輛可以得知前方是否有事故發生。如圖 2-6，當前方的車輛發生事故或是有重要訊息要告知後方車輛時，會透過車輛的位置去計算一個區域，使得封包能夠散佈在這個區域內，限制多餘的封包在區域外面進行傳輸，也減少對其他區域的封包碰撞機率。. 圖 2- 6：以一定區域的傳輸為基礎(Geocast)[1]. 15.

(25) 2.3 相關文獻探討. 此章節將針對相關的文獻進行介紹，主要方向為以群集為基礎和利用路邊基礎設施方面。. 處理交叉路段造成的路由問題[11]：在城市的環境中，很多的道路都是交錯在一起，且車輛的密度也較高，利用城市地圖這一項自然的平面特徵，使得路由的情形能夠以圖形來表示，如圖 2-7(a)所示，路口 A 因為有著節點所以來源節點 S 可以順利地運用貪婪演算法透過路口 A 經由路段 R5、路段 R9、路段 R10 和路段 R11 順利的將封包路由至目標節點 R，但如圖 2-7(b)，因為原本的路口 A 沒有節點可以幫忙傳送，來源節點 S 透過貪婪演算法先把封包經由路口 B、路口 C 最後傳至路口 D，在路口 D 時發現陷入區域最小值，所以透過修正貪婪演算法的右手定則，將封包傳送經由路口 E、路口 F 最後傳至路口 B，而路口 B 透過貪婪演算法將封包傳送回來源節點 S，如此形成了路段 R1R2 和 R5R6 的交叉鏈結，產生路由循環，而為了解決這一個問題，作者提出封包經過一次循環之後透過動態的刪除交叉鏈結來避免之後由來源節點 S 發出的封包陷入路由循環的窘境。. 圖 2- 7：交叉鏈結造成的路由循環問題[11] 16.

(26) 以歐基里德距離和車輛方向去建立群集[5]：. 由於全球定位系統 GPS 的興起，使得以位置為基礎的路由方式也成為車載網路研究中重要的一個項目，車輛裝載 GPS 將可以獲得本身確切的地理位置資訊，將這些資訊加入封包之中進行傳輸，便可以讓這些資訊也加入分群機制中。. 分群則是將全體 VANET 分成數個具有自我組織的群體，不同方向的車輛不歸類在同一群，其中每個節點都會傳送一個 Hello 的 beacon 封包，格式為<車輛 ID,經度,緯度,行車方向,時間>，經由這些封包將可以獲得拓樸資訊，進而利用這些資訊建立出拓樸表並且時常維護它，也利用此表去選出適合的群集頭 (Cluster Head)。經由計算車輛和群集頭之間的距離與門檻值做比較和行車方向進行分群。. 此方法目標在於有效的減少 flooding 控制封包造成的浪費，並且維持一定程度的封包傳輸率。. 17.

(27) 透過交通運輸系統：由於人類對移動的要求，道路上始終是充滿著許多車輛，除了自用小客車之外，也同時擁有大眾交通運輸工具來分擔，而大眾交通運輸工具通常都有著固定的移動路徑這項特性，如何妥善的運用此特性來協助傳輸也是一個熱門的領域。大部分的應用方式為類似病毒感染的方式來傳輸，若大眾交通運輸工具的身上帶有訊息，需要此訊息的車輛只要靠過去就會得到此資訊，而當大眾交通運輸工具在沿著其既定的路線行徑時也是會將資訊感染給在移動路徑中傳輸範圍內的車輛，達到將訊息散播出去的目的。如圖 2-8 所示，紅色節點 A 代表大眾交通運輸工具，沿著固定的路線循環，黑色圓圈為一般車輛，A 攜帶著訊息封包沿著既定路線前進，當傳輸範圍內有車輛時便將身上攜帶的封包感染給一般車輛，或是一般車輛 B 主動靠近使其發生感染的行為，以便獲得需要的資訊。而關於此領域也有學者在進行相關的研究[17]。. 圖 2- 8：交通運輸系統沿著固定路線行徑 18.

(28) 以路段分群且運用儲存(store)、攜帶(carry)和轉發(forward)[6]：. 依照封包傳遞的方向，如圖 2-9，由於封包傳遞的方向為由左而右傳送，所以將 C2 定義為群集 1 的尾端車輛，以此類推 C1 則為群集 2 的前端車輛，並且在傳輸範圍的空隙使用儲存、攜帶和轉發的技術來讓封包可以繼續傳遞下去，而當非尾端的車輛接收到群集尾端傳來的訊息則會將訊息儲存起來，如此一來當尾端的車輛臨時離開群集，資訊還是可以繼續傳遞下去。. 圖 2- 9：群集前端和群集尾端[6]. 19.

(29) 將意外事故控制在小範圍中或防止它擴大[7]：. 安全性是 VANET 中最為重要的一項應用，但事故發生的瞬間可以反應的時間往往都是非常短暫的，也容易反應不及而造成連環的事故發生。因此，除了避免事故的機制之外，抑止事故傷害繼續擴大也是一項重要的議題。. 人類的反應能力有限，也常常會受到生理或心理的影響，因此制訂完善的機制，嵌入程序之中，程序並不會受到生理或心理的影響，使其在關鍵時刻能夠照著安全的步驟循序執行減少傷亡的擴大，這方面的應用也是相當的具有挑戰性。. 在文獻[7]中提出運用公式和門檻值進行分群，使得同一群集內的車輛都是距離非常相近的個體，當事故發生時透過機制讓緊急程度高的車輛能迅速地擁有高優先權獲得介質傳播的機會，通知後方車輛進行煞車的動作減少傷亡，而後方車輛平時也會蒐集前方車輛的資訊，當前方速度異常時也會進行定期減速的動作，前方和後方車輛在此機制運作之下都能夠避免掉一些事故的擴大，萬一不幸事故一樣發生，至少也要抑止事故繼續往後方車輛擴大下去。. 能夠有這樣的成果主要是靠著寫在程序內的事故避免機制，程序執行的速度是很快的，也不依靠傳統的駕駛人看到前方煞車燈才進行煞車的動作。. 20.

(30) 利用路邊基礎設施在遙遠兩端路由封包[4]：大部分 VANET 路由的研究都限制在幾個 hop 內的車輛，依靠和附近車輛溝通，之後去估計即將到來的流量或者避免碰撞的意外發生，如果利用了路邊基礎設施，則可以運用其有線的骨幹網路去得知遠方的資訊或是與遠方的車輛進行封包的傳遞。事實上車輛移動的軌跡是可以用圖案的方式來呈現，這一項特性使得路由路徑可以被預測，加上時間便可以預測車輛在某一段時間過後移動到了何處，接下來運用基於一定區域的路由方式將資料封包傳送至預估的範圍之中，到達範圍邊緣時將其廣播至整個預測範圍，如此一來便可以順利的將封包傳遞給目的車輛。. 文獻[4]提出的方法在車輛通訊時大致上有三種情況： . 車輛對車輛的傳輸，如圖 2-10 case 1. . 車輛與在同樣路邊基礎設施範圍內的車輛通訊，如圖 2-10 case 2. . 車輛透過路邊基礎設施與遠方的車輛通訊，如圖 2-10 case 3. 圖 2- 10：車輛通訊三種情況[4]. 21.

(31) 2.4 小結. 探討了這麼多篇有關於車載網路路由相關的研究，不管是運用基礎設施來幫忙傳輸、使車輛形成數個群集、預測車輛在未來有可能行經的區域或是尋找備用路徑，這些方法目標都是要使得封包在路由上面能夠更加的靈活，使其用最有效率的方式進行傳輸，以達到既有高度的效率和正確性、不會消耗或佔用太多網路資源和封包傳遞的低延遲時間。本論文將探討如何在基礎設施中對車輛未來有可能的所在位置進行預測，運用基礎設施相對於車輛來說無限的能源、運算能力和較大的傳輸半徑，有效的將封包路由至預測區域中，進而傳遞到目標車輛上。而在這種情況之下如何保持高效率和正確性，又不會佔用太多整體網路的資源，則是本論文主要的研究方向。. 22.

(32) 第三章. 研究方法與演算法. 3.1 研究方法在車載網路之中關於封包的傳遞，從直覺上看來，傳送到附近固定的目標應該是會比傳給遙遠且正在移動的物件還要容易，因此如何利用路邊基礎設施有效的傳遞封包是一個重要目標。. 現代的車輛也將可以搭載全球衛星定位系統，也有足夠的記憶容量可以擁有所在環境的道路地圖，而車載網路中，車輛移動的軌跡可以用圖案的方式來呈現，這項特點使得其路由路徑是可以被預測的，因此文獻[4]提出了有效的方式，先預測出目標車輛所在的範圍，封包傳送至那個範圍後，再使用廣播的方式將擴散封包至整個預測範圍，該演算法將車輛與車輛通訊的情況分成了三種： . 車輛對車輛：這種情況之下車輛將透過一般的傳輸方法，尋求其他車輛幫忙轉傳，讓封包得以順利達到目標車輛。. . 車輛對 RSU：首先若 RSU 在車輛的傳輸範圍之內，則可以直接將封包傳輸給 RSU，若不是，則會運用地圖和 GPS 的資訊選擇路段，定義出到 RSU 的路徑，再透過鄰居節點的車輛將封包傳送出去，直到到達 RSU 為止。. . RSU 對車輛：首先會先利用目標車輛速度、上次位置、移動方向和封包平均傳遞時間來預測出目標車輛當封包抵達時可能的所在區域，之後嘗試將封包往預測區域傳遞，而當封包在預測範圍內時使用廣播的方式散播至整個預測區域。. 23.

(33) 但是運用廣播的方式散播封包將會有可能導致廣播風暴的問題，也容易讓整個網路充滿太多相同的封包，造成網路的負擔，而如此一來萬一有緊急的封包需要在預測範圍內進行傳輸時，將會影響到救護單位或事故後方的車輛收到緊急訊息的情況。. 為了改善以上缺點，本論文將焦點放在 RSU 傳遞給車輛部分，以減少將封包傳遞至預測區域時使用廣播造成的網路負擔為前提來進行研究，加入以路口路段為基礎的區域建立路段路由表，使封包到達預測區域時不需要以廣播的方式散布至整個區域，只需查看路由表便可以得知目標車輛是否在這段路上，因此整體的流程分成兩個部分: . 平時情況建立路段路由表：每台車輛會擁有兩張路段路由表，分別為上一個路口和當前路口的路由表，路由表中將會記錄<車輛 ID、地理位置、速度、移動方向、存活時間>(以路段長度加上路口最大距離計算車輛在當前路口區域存在的時間)。. . 路邊基礎設施預測及傳送封包透過收到的車輛最後一次資訊預測出範圍，並運用地圖以路段為基礎選出最佳最短的路徑，進行傳遞封包的動作。. 24.

(34) 3.2 研究演算法以下提出如何運用路口路段建立路段路由表。首先定義路口路段，如圖 3-1，橘色框、黃色框分別為路口 1、路口 2，而藍色框和紅色框則分別為路口 1 的路段範圍和路口 2 的路段範圍。. 圖 3- 1：路口示意圖. 存活時間欄位以預計車輛在此區域會停留多久 T=(d_路段長度+d_max)/V_車輛平均. 25. (3.1).

(35) 第一部分：建立路段路由表(table_路口 N) 1. 車輛將會詢問不同方向的車輛關於路段路由表的資訊 If 有回傳路段路由表：將自己加入路由表中 Else 直接建立新的路由表. 2. 接收後方車輛的資訊 if 後方車輛與自己不在同一個路口路段：將其加入前一個路口路段的路由表中 else 更新當前路口路段的路由表. 3. 向前方傳送當前路口路段的路由表. 4. if 進入下一個路口的範圍刪除上一個路口路段的路由表，並且將原本的當前路口路段的路由表重新定義為上一個路口路段的路由表之後回到步驟 1 Else 回到步驟 2. 26.

(36) 第一部分將以圖 3-1 為例子進行解說：. 首先假設車輛 A1 在路口 1(橘色框)往上進入路口 2 的範圍(紅色框)，A1 會先向對向車道的車輛詢問關於路口 2 的路段路由表資訊。 . 如果對向車道有車輛且有回傳路由表 A1 收到表之後會將自己加入表中. . 若沒有，則會建立一張新的路段路由表. 接著 A1 將會向後方車輛去接收他的資訊，並且判斷後方車輛是否與自己在同一個路口路段若後方車輛與自己在同一個路口路段 . 如果後方車輛與自己在同一個路口路段則更新當前路口路段的路由表. . 若不是，則更新上一個路口路段的路由表. 之後則向前方傳遞當前路口路段的路由表。最後判斷是否進入了下一個路口的範圍 . 若進入了下一個路口的範圍則刪除上一個路口路段的路由表，且把當前路口路段的路由表重新定義為上一個路口路段的路由表，之後回到步驟 1，重新執行演算法. . 若否，則回到步驟 2。. 27.

(37) 第二部分:路邊基礎設施(RSU)預測及傳送 1.車輛傳遞至 RSU：當車輛有傳輸的需求時，若目標車輛不是在自己可以傳輸到的範圍時，會先把封包透過 AODV 或 GPSR 的方式路由至所屬的 RSU，請求 RSU 幫忙傳輸。. 2.RSU to RSU 或 RSU to 車輛：當 RSU 收到車輛或其他 RSU 設施傳送過來的封包時，會透過 GPS 中心資料庫詢問目標車輛最後一次資訊，而後根據資訊推測目標可能區域，建立預測區域。 if 目標車輛在本身的負責區域以路段為基礎計算最短路徑，挑選適量的車輛進行傳輸。 Else 運用有線的骨幹網路傳遞給鄰近的其他 RSU 設施。. 3.當封包已經從 RSU 設施傳送出去之後： if 封包傳送至預測區域邊緣時詢問鄰近車輛的路段路由表檢查目標是否在其中 if 目標在其中. -> 將資料封包傳進去至目標車輛. else -> 傳送詢問封包繼續傳輸. 28.

(38) 第四章. 模擬結果與分析. 此章節將對模擬結果進行探討，在 4.1 節提出模擬環境的相關參數設定，而 4.2 和 4.3 節則針對車輛密度和重複封包數量的模擬結果進行分析和比較，在 4.4 節將呈現以車輛速度變動所造成的影響結果。. 4.1 模擬環境參數設定為了評估本論文所提出在預測區域搜尋鄰居表的路由方法，我們將本研究方法 ISBR(Intersection and Section Based Routing)與參考文獻[4]中在預測區域運用廣播的方法做比較，並對整個網路的封包投遞率、車輛密度、車輛速度和重複封包數量來做模擬分析和比較，其定義如下： . 封包的投遞率(Packet Delivery Ratio)：在模擬過程中，封包從來源車輛傳遞至目標車輛時，目標車輛總共接收到的封包數量與來源車輛總共傳送的封包數量比例。. . 車輛密度：在模擬環境中，每 1640 × 1640 m2 裡車輛數量的變化。. . 車輛速度變化：車輛在模擬環境中的行車速度。. . 重複封包數量：在模擬過程中，封包在預測區域內重複的數量。. 我們採用 JAVA 語言在 eclipse 平台上設計一個車載網路的模擬環境，地圖為曼哈頓網格式街道圖，模擬時間為 300 秒，其模擬參數如表 4-1：表 4- 1：模擬參數表模擬環境大小車輛密度車輛移動速度 RSU 數量和傳輸半徑車輛傳輸半徑. 3280 × 3280 m2 每 1640 × 1640 m2 有 20 至 70 (輛) 10、20、30 m/s 4 個，傳輸半徑皆為 1000 m 100 m. 29.

(39) 4.2 車輛密度變動的分析與比較在 4.2 節中，我們將會透過車輛的密度與封包的投遞率變化去進行分析和比較。車輛將在 3280 × 3280 平方公尺的環境地圖中隨機分佈，以固定的行車速度進行實驗。在車輛密度方面將會有六種不同的數目(20 到 70 輛)，在模擬時間為 300 秒中對封包投遞率產生的影響進行比較。圖 4-1、圖 4-2 為車輛密度在 20 和 30 輛時的結果。可以看出在低密度時由於車輛在地圖環境中的分佈較為稀疏，大大的影響到封包的傳遞和路段路由表的建立，而廣播將能有效地在這種環境下將封包散佈出去。 0.7. 封包投遞率. 0.6 0.5 0.4 ISBR. 0.3. ROAMER. 0.2. GPSR. 0.1 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s) 圖 4- 1：車輛密度為 20 時，封包投遞率的變化. 0.9. 封包投遞率. 0.8 0.7 0.6 0.5 ISBR. 0.4 0.3. ROAMER. 0.2. GPSR. 0.1 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s) 圖 4- 2：車輛密度為 30 時，封包投遞率的變化 30.

(40) 圖 4-3、圖 4-4 為車輛密度在 40 和 50 輛的結果，可以將其視為中等密度的情況，在封包剛開始傳遞的前期，本文所提出的 ISBR 方法在預測區域內的封包由於散佈性沒有 ROAMER 以廣播方法來的廣，所以車輛數在 50 輛，模擬時間為 50 秒的時候的封包投遞率為 59.2%比 ROAMER 的 72.2%來的低，不過在經過一定的時間之後投遞率將可以穩定的上升到 80%以上，經過的時間越久，ISBR 建立的. 封包投遞率. 路段路由表模式將可以更明確的在預測範圍內搜尋到目標車輛的位置。 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. ISBR ROAMER GPSR. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s). 封包投遞率. 圖 4- 3：車輛密度為 40 時，封包投遞率的變化. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. ISBR ROAMER GPSR. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s) 圖 4- 4：車輛密度為 50 時，封包投遞率的變化. 31.

(41) 圖 4-5、圖 4-6 則是車輛密度在 60 和 70 輛，視為高密度的情況，在高密度的情況之中車輛相對較容易獲得和交換彼此的資訊，使得路段路由表容易建立，. 封包投遞率. 但對於運用到廣播的方法將會有機會產生廣播風暴這一個嚴峻的考驗。 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. ISBR ROAMER GPSR. 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s) 圖 4- 5：車輛密度為 60 時，封包投遞率的變化. 1.2. 封包投遞率. 1 0.8 0.6. ISBR. 0.4. ROAMER GPSR. 0.2 0 0. 50. 100. 150. 200. 250. 300. 350. 模擬時間(s) 圖 4- 6：車輛密度為 70 時，封包投遞率的變化. 32.

(42) 在圖 4-7 中則將從車輛的密度比較封包投遞率的變化，其模擬環境中車輛密度為 20 至 70 輛，在環境地圖中隨機分佈，行車速度固定在模擬時間 300 秒的設定下進行模擬和比較。可以看出當車輛密度較低(ex:車輛密度為 20)時由於地圖環境中車輛的分佈較為稀疏，這將會影響到封包的傳遞和本文 ISBR 方法路段路由表的建立，這種情況之下運用廣播的方法將較能有效地把封包傳遞至目標車輛上。當車輛數量較多且密集時 ROAMER 運用廣播的方法將容易造成廣播風暴的問題，而這個問題將會影響到封包的投遞率。. 1.2. 封包投遞率. 1 0.8 0.6. ISBR ROAMER. 0.4. GPSR 0.2 0 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 車輛密度(每1640 × 1640 m2) 圖 4- 7：模擬時間 300 秒時車輛密度的影響. 33.

(43) 4.3 重複封包數量的比較圖 4-8 為車輛密度 50 輛在 3280 × 3280 平方公尺的環境地圖中隨機分佈，模擬時間 300 秒時本文所提出的 ISBR 方法和文獻[4]提出的 ROAMER 方法執行一千次在預測區域中平均重複封包數量的比較結果，可以看出 ROAMER 的方法由於使用了廣播的方式，導致在預測區域中平均重複的封包數來到了 1842 個，而本文的方法為 437 個，大大的降低重複封包數在預測區域中對整體網路的影響，使得在預測區域中的網路除了不容易發生廣播風暴的問題，也讓在其中的車輛擁有更多的網路資源可以運用。. 2000 1500 1000 ROAMER. 500 0. ISBR. 1 ISBR. ROAMER. 圖 4- 8：重複封包的數量. 34.

(44) 4.4 車輛速度的變動圖 4-9 為車輛密度 50 輛在 3280 × 3280 平方公尺的環境地圖中隨機分佈，模擬時間為 300 秒時，車輛的行車速度為 10、20 和 30 m/s 的實驗結果。在車速速較快(30 m/s)的情況時，由於行車速度太快導致會很容易發生連結斷裂的問題，所以本文所提出的 ISBR 的方法由於車輛有建立路段路由表的動作，車速快的情. 封包投遞率. 況將會不利於表格的建立，導致投遞率下降。. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0. ROAMER ISBR GPSR. 0. 10. 20. 30. 車輛速度(m/s) 圖 4- 9：車輛速度對封包投遞率的影響. 35.

(45) 第五章. 結論與未來展望. 近幾年來，交通環境的大力發展和人類對移動性的要求，使得運輸系統成為生活中的一個基本要素。而由於無線通訊技術的進步，車輛搭載通訊設備的情況越來越普及，運用車載網路(Vehicular Ad Hoc Networks)使車輛之間進行協調、共享及處理多種類型的資訊變得可行，如何有效的運用基礎設施的有線網路將是車載網路中的一項挑戰。. 本篇論文在文獻[4]所提出的基礎概念上，針對預測區域的傳遞方式進行改善，提出 ISBR(Intersection and Section Based Routing)演算法，透過路段路由表的建立期望提高封包傳遞率，減少過多重複的封包充斥在網路環境中導致網路資源的浪費。在第四章中針對車輛密度和封包數目進行模擬結果的分析與比較，並以數據描繪出來的結果驗證理論的可行性。. 由於本文的方法僅在網格狀的地圖上進行實驗，希望在未來能夠加入實體地圖進行更複雜的實驗，使其能夠更有效的運用在真實環境中。. 36.

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