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車載延遲容忍網路中公車系統路由之研究

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Academic year: 2021

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(1)國立屏東商業技術學院 資訊工程研究所 碩士論文. 車載延遲容忍網路中公車系統路由之研究 A Study of Bus-System-Based Routing Schemes for Vehicular Delay-Tolerant Networks. 指導教授:趙志峯 研 究 生:林哲甫. 博士. 中華民國 一百零二 年 七 月.

(2)

(3) 致謝. 經歷了兩年碩士班的努力,本論文終於能夠順利的完成,在這學習的過程中, 非常感謝的我指導教授趙志峯博士,當我在研究遇到困難時,老師都能適時的給予 我正確的研究方向,而在研究的過程中,老師也能夠像同學一般,跟我一起討論研 究的方法,讓我能在研究的過程中不會有太大的壓力,最後能讓我能夠順利完成碩 士班學業與論文。 在這兩年的學校生活中,首先最感謝健賓、傳雄、孝安、林在學長與振寰學弟, 能在我研究的過程中,給與我適時的幫助,也很感謝我的同學們俊星、晉亨、家鳴、 富翊、重峻、銘達、耀宇、清淵,能常常抽空到我的實驗室陪我聊一聊天,使我能 在研究之餘放鬆心情。 最後我很感謝我的爸爸、媽媽、姐姐與哥哥,感謝你們能在我這幾年的求學過 程中,給予我最好的照顧,讓我在學業上能全心全力的投入,因為有你們的幫助, 才能使這篇論文的完成更有意義。. 林哲甫 謹誌 中華民國 102 年 7 月 25 日 於屏東商業技術學院 無線網路實驗室. i.

(4) 摘要 在傳統的隨意行動網路(Mobile Ad Hoc Network,MANET)與延遲容忍網路 (Delay Tolerant Network,DTN)上已有許多路由機制被提出,但是它們並不是特 別為了車載延遲容忍網路(Vehicular Delay Tolerant Network,VDTN)所設計。在 VDTN 的環境中,因節點的高移動性、連接的不確定性、周遭建築物的阻礙以及 複雜地理環境..等特性,使得原本在 MANET 與 DTN 有良好效能的路由機制面臨 挑戰。為了解決這樣的問題,本論文提出了一個適用於 VDTN 環境下,以公車系 統為基礎之路由機制。本機制建立一個以公車及公車站為基礎之資料轉送架構,透 過公車具備密集的班表、固定的行駛路線、及可預計到達時間等條件,結合了公車 站具有固定位置,並提供持久的電力、較佳的傳輸能力、計算能力、以及較大的資 料暫存空間等特性,來避免資料封包到處漫無目地的傳遞,有效地減少控制封包之 傳送數量,及縮短封包延遲時間,並減少車上設備(On Board Unit,OBU)電力、 運算能力之浪費,以達到提升 VDTN 整體效能之目標。. 關鍵詞:行動隨意網路、車載隨意網路、車載延遲容忍網路、路由協定. ii.

(5) Abstract. Though numerous route mechanisms have been proposed in traditional mobile ad hoc networks (MANETs) and delay-tolerant networks (DTNs), few of them are designed for vehicular delay tolerant networks (VDTNs). The high mobility of nodes, uncertainty of connection, interference from buildings, and topographical conditions make it difficult for route mechanisms in VDTNs to perform as well as they are in MANETs and DTNs. In order to reach greater efficiency, this thesis proposed a bus-system-based route mechanism in VDTNs. It is a data transmission structure based on buses and bus stops. The conditions like tight bus schedules, regular bus routes, and prediction on estimated time of arrival, combining with characteristics such as fixed positions of bus stops, continuous power, faster transmission speed, better computation capability, and greater buffer capacity, prevent packets from randomly flooding. This architecture could lower the amount of control packets, shorten delay of packets, cut down on the power consumption of on board units (OBU), and reduce computation capability to improve the overall efficiency of VDTNs.. Keywords: mobile ad hoc networks (MANETs), routing protocols, vehicle ad hoc networks (VANETs), vehicular delay tolerant networks (VDTNs).. iii.

(6) 目錄 致謝 ........................................................................................................................................ i 摘要 ....................................................................................................................................... ii Abstract ................................................................................................................................ iii 目錄 ...................................................................................................................................... iv 圖目錄 .................................................................................................................................. vi 表目錄 ................................................................................................................................. vii 第一章 緒論 ......................................................................................................................... 1 1.1 研究背景 ................................................................................................................ 1 1.2 研究動機 ................................................................................................................ 3 1.3 研究目的 ................................................................................................................ 4 1.4 論文架構 ................................................................................................................ 4 第二章 相關研究 ................................................................................................................. 5 2.1 車載延遲容忍網路 ................................................................................................. 5 2.2 VDTN路由 .............................................................................................................. 5 2.3 緩衝區管理機制 ...................................................................................................11 2.3.1 丟棄機制 ....................................................................................................11 2.3.2 傳送機制 ................................................................................................... 12 2.4 移動式與固定式節點之路由特性分析 .............................................................. 13 2.4.1 移動式節點 ............................................................................................... 13 2.4.2 固定式節點 ............................................................................................... 14 2.4.3 分析討論 ................................................................................................... 15 第三章 研究方法 ............................................................................................................... 17. iv.

(7) 3.1 路由環境設定 ...................................................................................................... 17 3.2 路由機制 .............................................................................................................. 18 3.2.1 門檻距離的應用 ....................................................................................... 21 3.2.2 ≦門檻距離 ................................................................................................ 21 3.2.3 >門檻距離(候選公車選取程序) ............................................................ 22 3.3 BSRM演算法 ........................................................................................................ 26 3.4 緩衝區的設定 ...................................................................................................... 27 第四章 模擬與效能評估 ................................................................................................... 28 4.1 模擬工具 .............................................................................................................. 28 4.2 模擬環境設定 ...................................................................................................... 32 4.3 效能評估指標 ...................................................................................................... 37 4.4 模擬結果分析 ...................................................................................................... 38 4.4.1 路由協定比較 ........................................................................................... 38 4.4.2 公車系統之有無RSU功能分析 ............................................................... 43 4.4.3 有無使用門檻距離對於BSRM影響之分析 ............................................ 48 4.4.4 門檻距離應用分析 ................................................................................... 50 第五章 結論與未來展望 ................................................................................................... 52 參考文獻 ............................................................................................................................. 54. v.

(8) 圖目錄 圖 1:V2V及V2R傳輸架構................................................................................................ 2 圖 2:儲存(Store)→攜帶(Carry)→轉送(Forward)之資料傳輸方式 ................................ 3 圖 3:公車系統路由基本概念 ........................................................................................... 4 圖 4:固定式節點封包暫留動作情況 ............................................................................. 14 圖 5:BSRM運作環境示意圖 .......................................................................................... 17 圖 6:BSRM之流程圖 ...................................................................................................... 20 圖 7:s車與d車相當接近之情形 ..................................................................................... 21 圖 8:候選公車區域選取程序 ......................................................................................... 22 圖 9:兩車距離與選取圓形區域半徑之關係 ................................................................. 23 圖 10:s車與d車之距離大於門檻距離之情形 ............................................................... 24 圖 11:ONE的元件架構 ................................................................................................... 28 圖 12:移動模組 ............................................................................................................... 29 圖 13:路由模組 ............................................................................................................... 30 圖 14:圖形化介面 ........................................................................................................... 31 圖 15:OpenStreetMap之介面.......................................................................................... 32 圖 16:地圖轉換流程 ....................................................................................................... 33 圖 17:轉換後的部分高雄市街道圖 ............................................................................... 34 圖 18:規劃公車行駛路線的街道圖 ............................................................................... 34 圖 19:規劃公車站分佈街道圖 ....................................................................................... 35 圖 20:Packet Delivery Ratio............................................................................................ 38 圖 21:End to End Delay .................................................................................................. 39 圖 22:Relay...................................................................................................................... 40. vi.

(9) 圖 23:Overhead ............................................................................................................... 40 圖 24:BufferTime ............................................................................................................ 41 圖 25:HopCount .............................................................................................................. 42 圖 26:Packet Delivery Ratio............................................................................................ 43 圖 27:End to End Delay .................................................................................................. 44 圖 28:Relay...................................................................................................................... 44 圖 29:Overhead ............................................................................................................... 45 圖 30:BufferTime ............................................................................................................ 46 圖 31:HopCount .............................................................................................................. 47 圖 32:Packet Delivery Ratio............................................................................................ 48 圖 33:End to End Delay .................................................................................................. 49 圖 34:Relay...................................................................................................................... 50 圖 35:Overhead ............................................................................................................... 50 圖 36:Packet Delivery Ratio & Overhead ....................................................................... 51. 表目錄 表 1:車載及延遲容忍網路路由方法特性比較 ............................................................. 10 表 2:節點之路由特性分析 ............................................................................................. 14 表 3:公共交通系統分析 ................................................................................................. 16 表 4:符號定義 ................................................................................................................. 18 表 5:環境參數設定 ......................................................................................................... 36. vii.

(10) 第一章 緒論 1.1 研究背景. 傳統方式要使車輛具備網路的功能,必須要透過基地台的輔助,利用 GPRS、GSM、W-CDMA、HSDPA、WiMAX 或 是 LTE(Long Term Evolution) 等 無 線 通 訊 技 術 來 達 成 , 此 種 通 訊 型 態 屬 於 有基礎建設的無線網路 (Infrastructures Wireless Network)環境。而 近 年 來,隨 著 車 用 環 境 無 線 存 取 技 術 / 專 用 短 程 通 訊 技 術 ( Wireless. Access. in. Vehicular. Environments/Dedicated Short-Range Communications, WAVE/DSRC)的發 展[1],以 及 相 關 通 訊 協 定 (IEEE 802.11p, IEEE 1609)的訂定之下,車 載 網 路 (Vehicular Network)的 技 術 也 漸 趨 成 熟 [2]。 車 載 網 路 可 以 透 過 車 上 設 備( On Board Unit,OBU)與 路 側 設 備( Road Side Unit, RSU), 建 立 車 輛 對 路 側 設 備( Vehicle to Roadside,V2R)的 通 訊 或 車 輛 間 ( Vehicle to Vehicle, V2V) 通 訊 。 如 圖 1 所 示 , 透 過 V2R 的 架 構 可 以 進 行 車 輛 與 路 側 設 備 間 的 傳 輸,而 純 V2V 架 構 則 允 許 車 輛 之 間 在 沒 有 基 礎 建 設 的 環 境(Infrasturcturless Wireless Network)中 進 行 資 料 交 換,此 種 網 路 型 態 即 是 車 載 隨 意 網 路 (Vehicular Ad Hoc Network, VANET)[3][4]。. 1.

(11) 圖 1:V2V 及 V2R 傳輸架構 在目前資料交換主要是以使用 TCP/IP 協定的網際網路環境中,由於 TCP/IP 協 定可以建立相對可靠,並具備較高封包到達率及穩定性的特性下,網路中傳輸的封 包具有相對較短的延遲時間。但是車載網路中的車輛節點,常因為車輛高速的移動 以及複雜的地理環境,加上車上設備較差的傳輸能力、較為有限的計算能力、較小 的資料儲存空間,使得車載網路具有動態拓樸、不穩定的連線品質、冗長的延遲時 間等特性,導致在車載網路的環境應用 TCP/IP 協定會面臨許多困難[5],而原先於 延遲容忍網路(Delay Tolerant Network,DTN)[6]所探討的技術則較為適合在車載 網路的環境中使用。. 2.

(12) 1.2 研究動機. 延遲容忍網路(以下簡稱 DTN)的主要功能,就是要解決因為節點分佈稀疏、 傳輸距離受限、節點高移動性等情形,所導致節點間無法長時間保持連線狀態,並 產生的不穩定的連線品質的狀況。如圖 2 所示,DTN 利用儲存(Store)→攜帶(Carry) →轉送(Forward)的方式來傳送封包,DTN 的路由機制會在每個節點上使用一個 緩衝區(Buffer)用以暫時儲存資料,當連線狀態不理想時,節點就先將資料暫存 在緩衝區內,由節點攜帶並移動,當相遇到其他節點時,根據路由協定的策略,判 斷是否要將封包給轉送出去。DTN 的路由方式,可以解決節點間無法長時間保持連 線狀態的問題,進而提高封包的到達率,以維持網路的可靠度。. 圖 2:儲存(Store)→攜帶(Carry)→轉送(Forward)之資料傳輸方式 隨著車載網路及延遲容忍網路技術的成熟,其概念也在下列領域中廣泛的應用, 例如:路 況 及 車 輛 動 態 蒐 集 及 傳 播、交 通 事 故 及 緊 急 事 故 資 訊 蒐 集 及 傳 遞 、 偏 遠 地 區 網 路 建 構、野 生 動 物 生 態 追 蹤、太 空 網 路 通 訊 [7][8][9][28]。為了提 升網路品質與效能,車載延遲容忍網路(Vehicular Delay Tolerant Network,以下簡 稱 VDTN)相關的研究議題亦持續地進行中,例如:路由機制、壅 塞 控 制 、 節 點 相 遇 排 程 、 緩 衝 區 管 理 、 節 電 機 制 、 安 全 性 等 [10][11][12][13][14],其中路由 機制是較多研究所探討的議題,也是本論文的研究主題。. 3.

(13) 1.3 研究目的 由於大多數的 DTN 路由,都是以移動性高且無固定移動方式的車輛為攜帶封 包的主要中繼節點,透過這類的車輛來進行路由,的確能夠發揮出不錯的效能,但 也因為這樣的特性,在設計路由上,如果對於這類中繼車輛的篩選的不夠嚴苛,可 能就會導致產生超量的網路開銷,反之,篩選的太過嚴苛,可能造成整體的效能大 幅下降,為了解決這類車輛在路由設計上所產生的問題,所以本研究的目的是希望 利用在都市中常見的公車系統來進行路由, 如圖 3 所示,利用公車系統來改善一 般車輛進行路由時會產生的問題,我們主要針對降低整體網路開銷的方向來著手。. 圖 3:公車系統路由基本概念. 1.4 論文架構 本論文的架構如下:第二章,介紹在車載延遲容忍網路中幾個較知名的路由協 定(機制)與相關研究的討論,第三章,詳細介紹我們所提出運用於車載延遲容忍網 路中,以公車系統為基礎的路由機制,第四章,模擬平台介紹與透過模擬器來評估 我們所提出之路由機制的效能並作討論,第五章,本論文的結論與未來展望。. 4.

(14) 第二章 相關研究 2.1 車載延遲容忍網路 VDTN 的路由協定依照來源端節點,是否必須要有自身及目的端節點的地理位 置資訊(此資訊可以透過位置伺服器定位獲得,或是透過衛星定位獲得) ,可區分為 兩類:拓樸為基礎之路由方式(Topology-based Routing)以及位置資訊為基礎之路 由方式(Position-based Routing)。依據節點將資料轉送後,是否仍會在自己本身的 緩衝區保留資料,亦區分為兩類:轉送為基礎之路由方式(Forwarding-based Routing) 及複製為基礎之路由方式(Replication-based Routing) ;而複製為基礎之路由方式依 照資料複製的份數是否有限制,又區分為兩類:擴散為基礎之路由方式 (Flooding-based Routing)及配額為基礎之路由方式(Quota-based Routing),以下 將簡介使用於車載及延遲容忍網路較為知名的路由方法,並將其特性比較整理於表 1。. 2.2 VDTN 路由 First Contact Routing [10] 此路由的做法是在封包內記錄已被轉送過的節點,所以說只有首次相遇的節點 才有機會做轉送(forwarding)的動作,此路由的優點是可避免相同的節點重複接收封 包而造成迴圈的現象發生,但缺點是在轉送的對象並沒有經過特別的挑選,整體來 看這種路由的方式並不會帶來太好的結果。 Epidemic Routing [15] Epidemic 是一種屬於 Flooding 方式的路由協定,當兩節點相遇時,透過兩節點 之間持有的封包資訊進行交換,透過複製的方式將封包複製給另一個節點,傳送的. 5.

(15) 節點在複製的過程中依照封包資訊會選擇另一個節點所沒有的封包進行複製的動作, 這類路由的優點是能將封包有效率的散佈在各處,因此碰到目的節點的機率也能大 大的增加,缺點是在網路中產生了大量的複製封包,造成過多的網路開銷,且在儲 存空間是有限的情況下也會造成過多的封包,因儲存空間不足而出現被丟棄的情 況。 Spray and Wait Routing [16] Spray and Wait 路由方式分為兩個階段,第一個為 Spray 階段,一開始會先計算 出要複製的封包數量,接著每次相遇到節點時就會依照先前計算出的封包數量分一 半傳送給對方,持續這個方式直到自己只剩下一個封包才會停止,接著進行 Wait 階段,此階段是利用 Direct Delivery 方式,由自己將剩下的那一個封包自行攜帶, 直到與目的節點相遇才會停止,雖然此路由也是以 Flooding 方式來進行路由,但與 Epidemic 相比在傳輸量有著非常明顯的差距,其優點是在各種環境與節點密度都能 夠維持不錯的效能,缺點是在封包到達成功率並不會有太過突出的表現。 Spray and Focus Routing [17] 與 Spray and Wait 的路由方式相似,在 Spray 階段都以同樣的方式進行路由,唯 一不同是在第二階段的路由方式,由 Focus 方式對 Wait 方式進行改進,當自己所擁 有的封包只剩下一個時,Focus 方式還是會進行轉送的動作,依照各節點與目的節 點相遇的時間點下去做選擇。Spray and Wait 在優缺點方面與 Spray and Wait 路由方 式並無太大的差別,但改進了第二階段的路由方式,讓剩下的那一個封包能有更大 的機會藉由其他節點傳送到目的節點。 PROPHET Routing [18] PROPHET 主要的路由方式會計算出每個節點遇到目的節點的機率,當相遇到 為目的地的節點時此機率就會上升,假使有一段時間都沒與為目的地的節點相遇時 就會下降,所以說在封包是否要進行複製傳送的動作就是依照機率下去判斷,當對. 6.

(16) 方機率比自己大時才會複製,小於則是不做任何動作,此路由是以與目的節點相遇 的機率來做判斷藉此提高封包傳送到目的節點的機會,但在計算機率方面需要有大 量的地區資料才有辦法進行,且計算成本會因此出現過高的現象。 Desity-aware Routing Scheme [19] DARS 是設計在非均勻分佈節點的地區上進行路由,主要的想法是利用節點間 相遇時間列表,來判斷出節點鄰近或要前往地區的節點密度,透過這樣的方式,將 封包送往密度較高或是要前往高密度地區的節點,讓封包可在節點密度較高的地區 快速的散佈出去,藉此減少傳輸延遲與增加封包到達率,且在散佈的方式也限制了 封包複製的數量減少網路開銷量,此路由的特性是將封包送往節點密度較高的地區, 讓節點之間的相遇機會變得更多,提高目的地相遇的機率。 Position-Based Routing Protocol for Metropolitan Bus Networks [20] 此方法是以位置資訊為基礎的路由方式,路由的開始條件是設定在 5 公里內的 區域,作者認為在這種條件下的傳輸才是有效率的,路由方式是根據來源車與目的 車之間的街道路口處形成多條錨路徑,此錨路徑是利用公車路線上有經過街道路口 時就可建立出一個虛擬標記,此標記就會從來源車端一直建立到目的車端,在將標 記給連接起來,選擇最短的錨路徑來進行封包攜帶車輛的依據,封包會經由這些有 經過這些標記的公車來進行封包攜帶的動作,每次要到達路口時,就會重新計算出 一條新的錨路徑,利用這些位置上的判斷來達到有效的封包轉送結果,此路由的優 點是會依據這條動態計算的錨路徑挑選出可行的中繼公車,但缺點是在建立錨路徑 時需要用到大量的公車線,否則建立出的錨路徑可能會產生出一條並不是最短距離 的路線。 MaxProp Routing [21] MaxProp 路由方式是以 Epidemic 為基礎的協定,主要改善了 Epidemic 在儲存 空間有限情況下所產生的問題,針對儲存空間做了有效的管理,儲存空間內的封包. 7.

(17) 會依照 hop count 進行排序的動作,並動態制計算出 Threshold,利用 Threshold 將封 包分成可傳送與可取代兩部分,可傳送是封包的 hop count 要小於 Threshold,而可 取代則是大於 Threshold,可傳送的部分是依照 hop count 大小來做為傳送的順序, 可取代的部分以相遇到鄰居節點的次數計算出機率,越小者則會優先被取代,此路 由的優點是改善了 Epidemic 所遭遇到的問題,讓有機會封包能有足夠的空間可存放, 藉此改善了封包被大量丟棄的問題,缺點還是會造成大量的網路成本之消耗。 Bus Line-based Effective Routing(BLER) [22] BLER(Bus Line-based Effective Routing)主要是以公車路線來做計算,主要是 由公車將封包帶到目的地,所以封包的目的地必須是在公車路線上,由於是專門使 用公車來進行封包的攜帶,想利用其他的公車幫忙傳送封包就必須要先有相遇的情 況才有辦法將封包轉送或複製,在此作者認為公車路線有重疊的部分都可用來進行 封包的傳送,且重疊越長的部分機會越大,此路由的優點也是利用了公車固定路線 的優勢,缺點是如果目的地不在公車路線上可能會有傳送不到的問題發生。 Bus-assisted Transmission Routing(BATR) [23] 此路由是以公車為輔助的一種路由協定,裡用普通車輛與公車之間相遇作為傳 輸方式,主要利用公車行駛路線固定的優勢並與 D 車的行駛軌跡計算出在哪一條路 段進行廣播是最適合的,並估計公車到最佳傳送路段所需的時間與封包存活時間進 行比較,當所需時間是小於存活時間時,公車會到最佳路段才進行廣播,而大於必 須找出離 D 車最接近的路段在進行廣播,其優點是可利用公車的固定路線來動態找 出最佳的傳輸時間,達到一個有效的傳輸,但此方法對於封包該轉送給哪台公車並 沒有很明確的做法,假使所轉送的公車在行駛的路線與 D 車的距離過遠,這可能會 出現低效率的傳輸結果。 Distance Aware Epidemic Routing (DAER)[24] 作者希望在上海這個城市中建構出車輛網路,稱為Shanghai urban. 8.

(18) vehicular network (SUVnet),模擬的方式是利用城市中的計程車作為主要的路由對象, 且車輛上都裝有 GPS 裝置,且目的車的位置都是已知的,路由主要是以 Epidemic 為基礎,再利用目的車的距離與行徑方向,進行複製、轉送和緩衝區管理策略,在 距離判斷的作法是一開始會先將自己身上所攜帶封包的目的地與中繼車做兩點距離 的計算,接著在緩衝區內做由小到大的排序,行徑方向的判斷方式是,如果自己是 往目的地移動時,就利用複製策略,藉此增加封包到目的地的機會,而是遠離目的 地時,就利用轉送策略,其中方向判斷角度為 90 度,利用此方式來藉此省下緩衝區 的內空間,緩衝區管理的方式,提出了兩種策略 max-forwarded 和 max-hops,分別 是從所以封包中挑選出複製次數最多與 hop 次數最多的封包來丟棄,此方法是利用 一個簡單的距離與方向上的想法來進行路由,雖然在做法上是很有道理,只是考慮 的地理資訊並不夠完整,但還是能達到一定的效能。 Similarity Degree-based Mobile Pattern Aware Routing in DTNs* (SD-MPAR)[25] SD-MPAR 是利用方向與距離兩種參數來做計算,在方向計算方面,是利用相 遇到車輛的行進方向與目的車行進方向,兩向量之間求夾角,當兩夾角是小於 60 度時,代表兩車行進的方向是越相近,因此相遇到的車輛就適合當成中繼車輛,但 此路由在角度計算方面有一點沒考慮到,當兩車是處於接近平行移動狀態時,雖然 夾角也非常小,但可能兩台車可能會無法有機會相遇,而在距離計算方面,. 則是. 利用兩車之間的直線距離,找出相遇車輛中離目的車最短距離的車輛,最後將方向 與距離做計算,得出通訊範圍中各車輛的 SD 值,在根據 SD 值來去判斷哪台車是 可當成中繼車輛。. 9.

(19) 表 1:車載及延遲容忍網路路由方法特性比較 路由名稱. 傳輸方式. GPS. 地理資訊種類. 節點種類. First Contact. Forwarding. No. None. 一般車. Epidemic. Flooding. No. Global. 一般車. Spray and Wait. Quota. No. None. 一般車. Spray and Focus. Flooding. No. None. 一般車. PROPHET. Flooding. No. Global. 一般車. DARS. Quota. No. Local. 一般車. Position-Based Routing for. Forwarding. Yes. Global. 公車. Flooding. No. Global. 一般車. Metropolitan Bus Networks MaxProp. 、公車 BLER. Forwarding. Yes. Global. 公車. Bus Assisted. Forwarding/Flooding. Yes. Local. 一般車 、公車. DAER. Forwarding/Flooding. Yes. Global. 一般車. SD-MPAR. Flooding. YES. Local. 一般車. 10.

(20) 2.3 緩衝區管理機制 由於延遲容忍網路(DTN)有著將封包進行儲存攜帶的特性,在緩衝區空間大小 是受到限制的情況下,該如何去實現有效的傳送與丟棄封包的管理上對於路由協定 也具有相當大的影響,根據不同性質的路由,在緩衝區的管理上也會有所不同,我 們將幾種較常見的緩衝區管理機制做出整理。. 2.3.1 丟棄機制 . Drop Random Packet 在緩衝區內隨機選擇一個封包進行丟棄。. . Drop Front Packet 利用 FIFO(First in First out)的方式進行緩衝區內的排序,在緩衝區已滿的情況 下最早進到緩衝區內的封包會優先被丟棄。. . Drop Last Packet 利用 FIFO(First in First out)的方式進行緩衝區內的排序,在緩衝區已滿的情況 下最晚進到緩衝區內的封包會優先被丟棄。. . Drop TTL Base Packet 在移動式路由中,TTL 是根據 Hop 數來決定的,每當封包經過一次的轉送時, 此 Hop 數就會減 1,由於可能找不到適合的中繼節點而導致過多的轉送,避免 這類的封包占用掉過多的緩衝區空間,利用 TTL 中的 Hop 數來決定是否要丟 棄封包。. . Drop Lifetime Base Packet Lifetime 是另一種封包存活時間的做法,與 TTL 不同點是,Lifetime 是根據時 間來決定,當封包被產生後時間就會開始倒數, 直到封包到達目的地或是 時間為 0 時才會停止,利用 Lifetime 的剩餘時間來決定是否要丟棄封包。. 11.

(21) . Drop Larges Size Packet 封包的大小會影響到傳輸的效能,較小的封包在延遲容忍網路中具有較高的傳 輸成功率且也不會佔用掉太多的緩衝區空間,在封包重要性不高的情況下,會 優先將大容量的封包丟棄。. . Drop Long Distance Packet 與目的地越接近的封包,代表有較高的機會能 夠被傳送到達目的地,所以將與 目的地距離較遠的封包丟棄。. . MOFO[26] 當緩衝區內的空間已滿時,會將轉送次數已達到最大限度的封包進行丟棄。. . MOPR[26] 每個封包都會有一個轉送機率,最初的機率為 0,每一次的轉送此機率都會改 變,當緩衝區已滿時,將機率值為最高的封包進行丟棄。. 2.3.2 傳送機制 . Random 隨機從緩衝區挑選出一個封包進行傳送。. . FIFO 越早進到緩衝區內的封包就越早被傳送。. . TTL、Lifetime 依照緩衝區內封包的存活時間進行排序,越少者就擁有越早被傳送的優先順 序。. . Hop Count 依照緩衝區內封包跳躍次數進行排序,越小者就擁有越早被傳送的優先順序。. . Distance. 12.

(22) 根據緩衝區內封包與目的車的距離進行排序,越小者就擁有越早被傳送的優先 順序。. 2.4 移動式與固定式節點之路由特性分析 由於在 VDTN 的環境中,節點具有高移動性以及連接的不確定性,篩選適合的 節點對於路由的效能也有機會可得到一定幅度的提升,以下介紹這兩種節點的路由 特性,並將路由特性比較整理於表 2。. 2.4.1 移動式節點  固定路線 路由優點:可預先得知節點行徑的方向與路線,在得知目的節點的情況下, 透過已知地理資訊,動態計算出一條傳輸的路徑,使封包到達目的節點的機會提 高。 路由缺點:由於這類的節點只會在固定路線上移動,假使目的車的周圍是未 設置固定路線節點的行徑路線時,可能就會使封包無法到達目的車且延遲時間也 會越來越長。.  隨機路線 路由優點:這類節點具有高移動性,數量也較多,在路由設計上,就可以有 比較多的考量,所以在路由的可擴展性就會比固定路線的節點還來的更高。 路由缺點:雖然這類節點的可擴展性較高,但由於這類節點並沒有一定的行 駛路線與方向,在中繼節點的篩選就必須仔細的挑選,否則路由的開銷方面就會 變得非常大,所以在路由的設計上就需要更多的考量,也使設計路由會更加困難。. 13.

(23) 2.4.2 固定式節點 路由優點:當 A、B 兩節點無法在特定時間點相遇,就可透過固定式節點,A 節點可先將封包進行暫留在固定式節點的動作,等待 B 節點來接收,在稀疏環境 下這類的節點更能提升路由的效能,圖 4 為封包暫留情況。 路由缺點:由於這類節點是無法移動的,在封包攜帶的過程主要還是要倚賴 移動式節點,主要的功能還是在於將封包進行停留與管理的動作,所以在路由設 計上單單使用這一類型的節點來設計是很困難的。. 圖 4:固定式節點封包暫留動作情況. 表 2:節點之路由特性分析 節點種型. 移動式節點. 固定式節點. 路線設計. 固定路線. 隨機路線. 無路線. 地理資訊. 已知資訊較多. 已知資訊較少. 自身位置. 可擴展性. 低. 高. 低. 路由設計難易度. 低. 高. 高. 14.

(24) 2.4.3 分析討論 根據上述分析,利用移動式節點中固定路線類型的節點,在路由的設計上,由 於地理資訊是較容易取的,所以在計算方面也較容易動態計算出一條有機會到達目 的節點的路線。.  問題定義 這類型的節點數量並不是非常的多且行徑的路線也是固定的,所以必須增加一 些固定式節點和隨機路線類型的節點作為輔助,當兩車無法在特定時間相遇時就可 將封包送往固定式節點,等待指定的節點來接收,最後當目的節點是已相當接近時, 且固定路線類型的節點也無法行駛到的路線上,就要透過隨機路線類型的節點將封 包帶往目的節點。.  解決方案 利用這些方式就可以解決上述分析所提到的缺點,當固定路線類型的節點無法 道行駛到目的節點位置時,就使用隨機路線類型的節點來進行輔助,由於與目的節 點已相當接近時,利用隨機路線類型的節點來進行封包的散佈在開銷方面就不至於 太高,在固定式節點的問題,就必須搭配在路線上是會頻繁經過這類型節點的特殊 節點,利用這些方式就可以改善這兩種類型節點的問題。.  節點的選擇 基於這些想法,在攜帶封包的過程,我們想利用公共交通系統中的公車系統來 進行路由的設計,原因是公車系統比起其他同類型公共交通系統,在都市環境下的 路線及公車站的分布是非常密集的,所以在攜帶封包的過程中是可以有效地將封包 送往各地的目的節點,且公車在路線上是設有公車站這類型的固定式節點,所以使 用的效率上也比一般車更好,公共交通系統分析如表 3。. 15.

(25) 表 3:公共交通系統分析 節點種類. 路線分布. 停靠站數量. 公車系統. 密集. 多. 捷運系統. 密集. 少. 火車系統. 稀疏. 少. 16.

(26) 第三章 研究方法 3.1 路由環境設定 本論文所提出運用於車載延遲容忍網路中之路由機制(以下簡稱 BSRM)的設計 主要適用於具有公車系統之區域,為了能更清楚的描述,一個假想之運作環境如圖 5 所示,BSRM 運作區域中需有多條的公車路線、多數的公車與密集的公車站,每條 公車路線上皆有一定數量的公車站。在暫存區的空間設定上,一般車輛最小(例如 為 10M) ,公車較大(例如為 100M) ,公車站的暫存區最大(例如為 1000M) ,公車 站即為 RSU,具有持續的電力,以及較佳的運算能力及傳輸能力。所有車輛都可透 過全球定位系統(Global Positioning System,GPS)來取得所需的位置資訊,並且 內建的 OBU 都具有該區域之地圖圖資以及該區域所有公車的行駛路線。. d B4 B2 B3. B1. Bus. s. Vehicle Bus Stop Bus Line. B5 圖 5:BSRM 運作環境示意圖 為了方便說明,首先將所使用的符號定義如表 4,一般車輛分別為來源車 s 與 目的車 d ,通訊範圍定義為 R ,來源車 s 或中繼車與目的車 d 之間的直線距離為. 17.

(27) Dist ( s, d ) ,最短門檻距離為 τ , τ 可以依照區域的規模來做調整,選取圓形區域之. 半徑為 r _ ca , r _ ca 會依照 Dist ( s, d ) 的值來調整,選取圓形區域定義為 ca ,候選公 車列表為 CBList ,公車群組為 G bx , G bx 會依據公車路線的交會點來計算。 表 4:符號定義 符號名稱. 說明. s, d. s 為來源車, d 為目的車. R. 通訊範圍. Dist ( s, d ). 來源車 S 或中繼車與目的車 d 之間的直線距離. Dist ( s, d ) = ( x s − x d ) 2 + ( y − s. τ. 門檻距離. ca. 選取圓形區域. r _ ca. 選取圓形區域之半徑. CBList. 候選公車列表. G. y). 2. d. 公車群組 bx. 3.2 路由機制 BSRM 最主要的想法是如何利用公車系統來達到有效的傳送,並且利用與目的 節點之間位置的考量來做動態的計算,藉此提高封包到達目的地的成功率。BSRM 之完整流程如下圖 6 所示,當 s 車產生封包時,會先查看自己通訊範圍 R 內所連接 中的車輛是否有 d 車的存在,沒有的話則進行門檻距離 τ 的判斷,在此階段會考慮. 18.

(28) 自己與 d 車之間的距離是否已相當接近,利用地區上的所有節點進行封包複製的動 作。 s 車與 d 車之距離小於等於 τ 的情形如下圖 7 所示。當在圖 7 情況下,只透過 公車或公車站來攜帶封包並不會有很明顯的成效,且如果目的車在行進的路線並不 在公車路線上時,就有可能無法將封包傳送到目的車上,所以就希望讓所有的車輛 都可以幫忙攜帶封包,利用這種方式來提高封包到達目的節點的機會,且在這樣的 距離下也不會造成封包過度複製的情況發生,當 s 車與 d 車之距離大於 τ 的情形, 則進行公車系統的判斷,利用公車有固定路線的特性與公車站具有 RSU 的功能 ,透 過這樣的方式來降低路由整體的開銷。. 19.

(29) 圖 6:BSRM 之流程圖. 20.

(30) B4 B2 D. B3. s Bus. B1. Vehicle Bus Stop Bus Line. B5. Select Area Radius of Select Area Dist(s,d). 圖 7:s 車與 d 車相當接近之情形. 3.2.1 門檻距離的應用 首先利用兩點直線距離公式 Dist ( s, d ) 計算出兩車之間的距離,接著在利用所設 定的門檻距離 τ 進行該用哪種路由方式的判斷,當 Dist ( s, d ) 小於等於 τ 時,就將封包 利用 Flooding-base 方式散播出去,此時是利用地區中所有類型的節點,而當 Dist ( s, d ) 大於 τ 時,則利用公車系統進行封包的攜帶。. 3.2.2 ≦門檻距離. s 車與 d 車之距離小於等於τ 的情形下,如上圖. 7 所示,雖然也可使用公車系. 統進行封包的攜帶或暫存,但此時利用數量較少的公車時,在與目的車相遇的機會 也會較低,且目的車必須是剛好行進在公車路線上,在這樣的情況下,就應該利用 地區上各種可幫忙傳送的節點利用 Flooding-base 方式將封包能夠更快速的散佈出去,. 21.

(31) 不只可讓封包的傳送時間縮短,也可提高封包到達 d 車的機率。. 3.2.3 >門檻距離(候選公車選取程序) 當距離大於門檻距離 τ 的情況下,BSRM 會執行候選公車選取程序,該程序如 圖 8 所示。首先會利用兩車之間的直線距離 Dist ( s, d ) 帶入公式 r _ ca =. Dist ( s, d ) 2 log 10 ( Dist ( s ,d )). 計算出一個合理的選取圓形區域半徑 r _ ca ,接著利用 r _ ca ,以 d 車為中心點畫出 一個選取圓形區域 ca ,只要是落在這個區域內的公車路線,就會將路線上所行駛的 公車編號納入候選公車列表 CBList,ca 是根據兩車之間的直線距離 Dist ( s, d ) 動態去 做調整。. 圖 8:候選公車區域選取程序 如圖 9 所示,透過 r _ ca =. Dist ( s, d ) 2. log 10 ( Dist ( s , d )). 所計算出的值,當兩車距離是相當遙遠. 時,這個選取圓形區域 ca 就會變大;相反,隨著距離越來越近 ca 也會越來越小。當. 22.

(32) 與 d 車的距離較遠時,由於資料封包的傳送時間會較久,所以 d 車皆下來的移動距 離可能也會較遠,所以預先規劃出一個區域來假設出 d 車可能會行駛的方向或路段, 當距離越遙遠時,這個假設的區域就應該要更大,當距離慢慢的接近時,所假設的 區域就應該要慢慢的變小。. 600. r_ca (m). 500 400 300 200 100 0 0. 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000. Dist(s,d) (m) 圖 9:兩車距離與選取圓形區域半徑之關係 公車群組使用來增加可選擇的公車數量,公車群組 G bx 的設計為在公車路線上 有重疊的部分,BSRM 將這些路線上有重疊到的公車編號納入公車群組 G bx ,利用 候選公車列表 CBList 內的公車編號與自己所相遇到的公車本身所擁有的群組做一 個交叉的比對,來找出有相關的公車並重新加入到候選公車列表 CBList 內,最後在 傳輸方面,在選擇公車部分就以候選公車列表來決定,公車站方面也是以候選公車 列表來決定在加上檢查此公車站是否有在重疊的路線上,如果有才會進行傳輸,下 圖 10 為兩車之距離大於門檻距離 τ 之情形。. 23.

(33) D B4 B2 B3. Bus. B1. Vehicle. s. Bus Stop Bus Line. B5. Select Area Radius of Select Area Dist(s,d). 圖 10:s 車與 d 車之距離大於門檻距離之情形 當 s 車與 d 車距離大於門檻距離 τ 時,將利用選取圓形區域 ca 來選擇可當作中 繼節點的公車或公車站,在圖 10 的情形中,可選擇的公車編號為 B1、B2、B3 和 B4 也就是候選公車列表是 CBList ( B1, B 2, B 3, B 4) ,如果 s 車最早相遇的公車為 B5 時,就會查看 B5 這輛公車所擁有的群組中有哪些公車,B5 的群組為 G b5 ( B1, B 4) 與 候選公車列表 CBList ( B1, B 2, B 3, B 4) 比對,就會發現 B1 和 B4 都有機會與 B5 相遇, 所 以 在 原 來 候 選 公 車 列 表 在 增 加 B5 進 來 , 新 的 候 選 公 車 列 表 為 CBList ( B1, B 2, B 3, B 4, B5) ,最後依照此列表進行封包的傳送。. 從上述的情況來看,為了避免有封包傳送不出去的情況發生,BSRM 利用公 車站(RSU)也可將封包暫留,等待有機會遇到 d 車的公車來轉送,如此可避免遇不到 公車的狀況發生。BSRM 透過公車群組和暫留封包在公車站的兩種方式來增加可選 擇的節點數量,以提高各種封包送達 d 車的可能性。利用公車群組的方法可以選出. 24.

(34) 與 d 車有機會碰面的車輛,對於 d 車距離較遠時,BSRM 也將選擇的條件放寬,所 以藉由 B5 將封包帶到 B1 和 B4 的公車或公車站上,再由 B1 或 B4 來相遇到 d 車。. 25.

(35) 3.3 BSRM 演算法 Algorithm Bus System Based Routing Mechanism Dist(s, d): 自己與目的車之間的距離 τ : 門檻距離 CBList : 候選公車列表 Gbx : 公車群組表 1. Connection Up 2. FOR Message m 3. IF the node is bus or bus stop THEN 4. Calculate the Dist(s, d) 5. IF the Dist(s,d) is smaller than or equal to τ THEN 6. Add the m to the transmission queue 7. ELSE 8. Search buses in the ca and add to the CBList 9. Getting Gbx from the connection bus or bus stop 10. Cross comparison CBList and Gbx and re-update the CBList 11. IF the connection of the bus or bus stop exists in the CBList THEN 12. Add the m to the transmission queue 13. END IF 14. END IF 15. END FOR 16. Begin transmission Message from the queue 17. END IF. 26.

(36) 3.4 緩衝區的設定 在 BSRM 中我們利用了一般車輛、公車與公車站牌來做為可傳送的節點,根據 不同類型的節點,我們在緩衝區的設定上也有所不同,以下為 3 種節點的緩衝區設 定。.  一般車輛 由於一般車的體積並不是特別大,所以在硬體設備上是有所限制,所以在緩衝 區的容量設定上,我們給一般車較小的緩衝區空間容量。.  公車 在公車方面,由於體積較大,在硬體設備上可比一般車攜帶更多的裝置,所以 在緩衝區的容量上也應該要比一般車可攜帶更多的封包,所以我們給予公車較多的 緩衝區空間容量。.  公車站 由於公車站為一種固定的路側設備,在電力或是硬體設備上應該都比移動式的 節點更充裕,因此,在公車站的緩衝區容量的設定上,我們給予公車站最多的緩衝 區空間容量。. 27.

(37) 第四章 模擬與效能評估 4.1 模擬工具 為了瞭解 BSRM 之效能,本論文使用(Opportunistic Network Environment simulator[29],以下簡稱 ONE)作為模擬工具,ONE 是由 Nokia 研究中心,以 Java 語言為基礎,針對延遲容忍網路所開發的網路模擬器。ONE 的元件架構如圖 11 所 示,ONE 主要是由移動模組(Movement models)、路由模組(Routing modules)、 事件產生器(Event generators)與圖形化介面四個元件所構成的一個模擬器[27],以 下將簡介這四個元件。. 圖 11:ONE 的元件架構.  移動模組(Movement models) 如下圖 12,移動模組提供節點在模擬的過程中各種不同的移動方式,其中也定 義了各節點的座標、移動速. 度等參數。. 28.

(38) 圖 12:移動模組.  路由模組(Routing modules) 如下圖 13,路由模組負責封包的處理,如傳輸和接收的判斷、封包在緩衝區內 的管理等工作。. 29.

(39) 圖 13:路由模組.  事件產生模組(Event generators modules) 負責產生封包,並可設定每次產生的間隔時間和封包大小設定等參數。.  圖形化介面模組(Graphical User Interface mode) 如下圖 14,圖形化介面模組控制其他三個元件,並可透過圖表等方式顯示模擬 的結果。. 30.

(40) 圖 14:圖形化介面. 31.

(41) 4.2 模擬環境設定 本論文預計同時使用 OpenJUMP[30]移動模組創造工具,OpenJUMP 是利用 Java 語言所撰寫的開放式 GIS(Geographic Information System)軟體,它並提供了視窗 化的操作介面與各種可繪製地圖的編輯工具,地圖繪製好後只需要匯出成 ONE 所 制定的移動模組格式(WKT)就可在 ONE 模擬器上執行。. 圖 15:OpenStreetMap 之介面 為了提供更真實的模擬環境,本論文將利用 OpenStreetMap 所提供的地圖來進 行模擬[30]。如圖 15 所示,OpenStreetMap 是一個能讓所有人都能夠去進行編輯的 世界地圖,地圖資料主要是透過各地使用者利用所擁有的地區知識所繪製成的,它 並提供匯出地圖的功能,讓使用者可用於各種地圖規劃或導航。利用 OpenStreetMap 將地圖匯出成(osm)檔後,透過轉檔器(osm2wkt)[32]將格式轉換成 OpenJUMP 與 ONE 能夠讀取的 wkt 檔案格式,再利用 OpenJUMP 進行地圖編輯與公車路線的. 32.

(42) 規劃,地圖轉換流程如圖 16 所示。. 圖 16:地圖轉換流程 如下圖 17、圖 18 及圖 19 所示,本論文預計使用轉換好的高雄市街道圖,先 將圖讀入 OpenJUMP 進行修改,之後將公車站定位並規劃公車行駛路線。. 33.

(43) 圖 17:轉換後的部分高雄市街道圖. 圖 18:規劃公車行駛路線的街道圖. 34.

(44) 圖 19:規劃公車站分佈街道圖 在模擬環境參數設定,我們使用的地圖大小為 8000m x 8000m,模擬的時間為 8000(約為 2 小時) ,節點數量,一般車輛為 50 台(Source & Destination) 、公車數 量 14 台、公車站數量 150 個,傳輸半徑 30m,緩衝區大小依照各種節點作變動, 詳細參數如表 5。. 35.

(45) 表 5:環境參數設定 參數. 數值. 模擬時間. 8000s. 地圖大小. 8000m x 8000m. 節點總數. 214(一般車 50/公車 14/公車站 150). 傳輸半徑. 30m. 封包產生時間. 1packet/30sec. 封包大小. 500KB~1000KB 一般車 1MB, 2MB, 3MB, 4MB, 5MB. 緩衝區大小. 公車 2MB, 4MB, 6MB, 8MB, 10MB 公車站 10MB. 車輛速度. 10~50km/h. 門檻距離. 1500m. 36.

(46) 4.3 效能評估指標 針對路由協定的效能,我們利用以下幾種效能進行分析: 1.. Packet Delivery Ratio(封包到達率):來源車(Source)所產生的封包到達目 的車(Destination)的機率,計算方式如下: Packet Delivery Ratio =. 2.. 成功到達目的車的封包總數 所有來源車產生的封包總數. End to End Delay(延遲):封包從來源車(Source)到達目的車(Destination) 所需花費的平均時間,計算方式如下: End to End Delay =. 成功到達目的車封包的時間總合 成功到達目的車的封包總數. 3.. Relay(重傳總次數) :從模擬開始到結束之封包傳送(轉送、複製)的總次數。. 4.. Overhead(路由開銷):封包由來源車(Source)產生後經由其他中繼節點來 幫助傳輸到目的車(Destination)所需花費的網路開銷,計算方式如下: Overhead =. 5.. 重傳總次數 − 成功到達目的車的封包總數 成功到達目的車的封包總數. BufferTime (封包在緩衝區停留時間) :每個封包平均停留在緩衝區的平均時間, 計算方式如下:. 6.. BufferTime = 當前時間 − 接收封包時間. HopCount(封包跳躍次數) :封包由來源車(Source)產生後經由其他中繼節 點來幫助傳輸到目的車(Destination)所經過車輛的平均次數。. 37.

(47) 4.4 模擬結果分析 在此章節中,首先將我們所提出來的方法與其他幾種較知名的路由進行比較, 在來是 BSRM 路由協定的環境與效能分析,根據不同的車速情況下來進行觀察。. 4.4.1 路由協定比較 Packet Delivery Ratio: 如下圖 20 所示,在封包到達率方面我們提出來的 BSRM 與其他路由相比,呈 現出較好的效能,我們的方法主要是以穩定及節省路由開銷下為前提,選取較有機 會與目的車相遇的公車當成中繼點,從模擬分析結果來看,我們所提出的方法是可 以有效的利用選取適當的中繼車輛來取得不錯的效能。. 圖 20:Packet Delivery Ratio. End to End Delay: 如下圖 21 所示,封包到達延遲時間上,由於 BSRM 主要是利用公車系統來進. 38.

(48) 行封包的攜帶與轉送,且公車數量與一般車相比數量也較少,所以我們所提出的 BSRM 在延遲時間方面也會較長,但與其他路由相比在延遲時間方面依然可以控制 在非常相近的情況。. 圖 21:End to End Delay. Relay: 如下圖 22 所示,在 Relay 的觀察中,我們可以看出 Epidemic 的路由在中繼車 輛並沒有經過特別的挑選,在 Relay 的次數都顯得非常的高,而我們所提出的 BSRM 在中繼車輛的選擇上是有經過篩選的程序,所以不會封包傳輸給一些沒有幫助的車 輛,所以在 Relay 次數也可以得到有效的控制。. 39.

(49) 圖 22:Relay. 圖 23:Overhead. Overhead: 如上圖 23 所示,在 Overhead 方面,從模擬結果來看,我們所提出的方法所得 到的 Overhead 是最低的,主要我們是利用公車系統來進行路由,藉由公車的固定行 駛路線與公車站的等待轉送來將封包可以有效的來接近目的車,雖然在門檻距離的 判斷下會利用一般車來進行無條件的傳輸,但在有效的範圍控制之下是不會造成過. 40.

(50) 多不必要的 Overhead 產生,以節省與效能來看,我們的方法與其他路由相比是佔有 較大的優勢。. 圖 24:BufferTime. BufferTime: 如上圖 24 所示,從 BufferTime 的觀察中,我們可以看出各種路由的特性, Epidemic、DAER 與 Prophet 都是屬於會將自己所擁有的封包快速散佈出去的路由, 所以在 BufferTime 都呈現較低的時間,我們提出的方法是利用公車與公車站具有較 大儲存空間特性來攜帶封包,所以封包留在 buffer 的時間也較長,但以模擬的結果 來看,雖然我們的方法並不會像 Epidemic 路由將封包頻繁的在車輛之間的轉送,但 經由較適合的車輛來持續攜帶也能達到不錯的效果,所以在 BufferTime 大小的好壞 判斷來看,不同路由的方式對於 BufferTime 的定義也會有所不同。. HopCount: 如下圖 25 所示,與其他路由相比,Epidemic-Base 的路由都有著較高的 HopCount,而我們的方法 HopCount 大約都在 2 次左右,這表示我們所提出的方法, 在中繼車輛是有經過挑選的,所以在封包的轉送的次數也會比較少。. 41.

(51) 圖 25:HopCount. 42.

(52) 4.4.2 公車系統之有無 RSU 功能分析 在這小節,我們將針對 BSRM 在公車系統中有設置 RSU 於公車站(BSRM_RSU) 和無設置 RSU 於公車站(BSRM_nRSU),這兩種環境之下所產生的差異性。. Packet Delivery Ratio: 如下圖 26 所示,我們可以觀察到,在有設置 RSU 的環境下 BSRM 可達到 50% 以上的封包到達率,無設置 RSU 的情況下最多只能達到 29%左右的到達率,這說 明了利用 RSU 來進行等待與轉送的工作,在 BSRM 中確實能產生出更好的效能。. 圖 26:Packet Delivery Ratio. End to End Delay: 如下圖 27 所示,在延遲時間方面,有設置 RSU 的環境下,利用 BSRM 的延遲 時間是無設置 RSU 環境下相差了快 100 秒,原因是 BSRM 主要是利用公車來進行 封包攜帶,當封包需要經由其他公車進行攜帶時,兩公車之間就必須有相遇才能將 封包進行轉送,在無法相遇的情況下就可能導致延遲時間的上升,但在有設置 RSU 的情況下,可以利用 RSU 來進行暫時性存放,等待指定的公車或目的車來進行接收,. 43.

(53) 從延遲時間的觀察來看,有設置 RSU 對於 BSRM 是相當有幫助。. 圖 27:End to End Delay. 圖 28:Relay. Relay: 如上圖 28 所示,我們可以觀察到,在無設置 RSU 的環境下,BSRM 的 Relay 次數是非常低的,主要 BSRM 只利用公車來進行封包攜帶的工作,除非是低於門檻 距離,才會進行一般車輛的無條件傳輸,所以在 Relay 的次數會顯得非常的低,而. 44.

(54) 有設置 RSU 的環境下,BSRM 可以更有效的利用 RSU 一步步的將封包送往離目的 車越接近的地方,在 Relay 的次數上也會因為較常利用到 RSU 而有所上升。. Overhead: 如下圖 29 所示,在無設置 RSU 的環境下,BSRM 的 Overhead 是非常低的, 原因是 BSRM 只利用公車來進行封包攜帶,除非是低於門檻距離或是與指定的公車 相遇時才會進行封包的轉送,在有設置 RSU 的環境下,BSRM 在 Overhead 的表現 與上述各路由比較的效能來看,BSRM 不管是在公車或公車站(RSU)都是有經過篩 選的,所以就算在有設置 RSU 的環境下也不會造成太大的 Overhead。. 圖 29:Overhead. BufferTime: 如下圖 30 所示,從 BufferTime 的觀察來看,有設置 RSU 環境下的 BSRM,封 包停留在 buffer 內的時間與無設置 RSU 的環境做比較明顯的少了快一半的時間,以 BSRM 的路由方式來看,除非是低於門檻距離或是與指定的公車相遇,否則不會將 封包給送出,所以在無 RSU 的環境下,封包較不容易送出,BufferTime 也會比較高, 而有 RSU 的環境下,多了可送到公車站來暫時存放的選擇,封包也較容易送出,. 45.

(55) BufferTime 也會因此降低。. 圖 30:BufferTime. HopCount: 如下圖 31 所示,從 HopCount 的觀察來看,無 RSU 環境的 BSRM 在 HopCount 的次數大約都在 1.5 次左右,而在有 RSU 在的環境下,則上升到 2 次以上,從這個 兩種環境可以看出,雖然有 RSU 的環境可將封包託付給 RSU,但在 BSRM 中,這 兩種環境的數據並沒有太大的差異,原因是 BSRM 在公車站(RSU)的選擇上也是與 公車使用一樣的判斷方式,所以並不是所有的公車站(RSU)都會給予託付封包的工 作。. 46.

(56) 圖 31:HopCount. 47.

(57) 4.4.3 有無使用門檻距離對於 BSRM 影響之分析 在這個小節中,我們將分析 BSRM 中有無使用門檻距離的差異性,透過 Packet Delivery Ratio、Delay、 Relay 和 Overhead 這四種數據的呈現進一步的來探討其方 法對於 BSRM 的重要性。. Packet Delivery Ratio: 如下圖 32 所示,我們觀察有無使用門檻距離的判斷,從模擬結果可得知,有 使用門檻距離是有助於封包到達率的提升,而無使用門檻距離的方式到達率大概只 有 20%左右,其主要的原因是,單純使用公車系統來進行路由,除非目的車是剛好 行駛在規畫好的公車路線上,否則就算是很順利的將封包送往目的車方向,最後也 無法將封包送到目的車,而有使用門檻距離的方式則是會利用所以有類型的節點進 行小範圍的封包氾濫,此方式就算不在公車行駛路線上也能將封包送達到目的車。. 圖 32:Packet Delivery Ratio. End to End Delay:. 48.

(58) 如下圖 33 所示,在延遲時間的觀察,有使用和無使用門檻距離的方式,雖然 在延遲時間非常相近,但從封包到達率來觀察,有使用門檻距離的方式,卻可以在 延遲時間相近的情況下,增加更多的封包送達到目的車上,主要當目的車不在公車 路線上時,有使用門檻距離還可利用一般車來進行攜帶與轉送,讓封包能更快速的 送達到目的車上,而未使用門檻距離的方式公車只能送給剛好在公車路線上的目的 車,目的車不在公車路線上的封包則會有機會被其他封包取代而丟棄。. 圖 33:End to End Delay. Relay and Overhead: 如下圖 34 與圖 35 所示,在 Relay 與 Overhead 的觀察中,雖然有使用門檻距 離的方式比未使用門檻方式在兩數據的比較中都高出許多,但在我們的路由中,由 於大部分的時間是利用公車系統來進行封包攜帶的動作,所以說在路由開銷方面是 可以降到非常低的,當封包一旦接近目的車時,再利用無條件傳輸方式,將封包送 達到目的車上,比起其他類型路由,我們在攜帶封包過程中,透過公車系統將攜帶 所需的開銷降低,接著再利用小範圍的無條件傳輸來提高到達率。. 49.

(59) 圖 34:Relay. 圖 35:Overhead. 4.4.4 門檻距離應用分析 在這個小節中,我們將針對門檻距離的設定進行分析,分別在 Packet Delivery Ratio 與 Overhead 之間找出最理想的門檻距離設定範圍。. Packet Delivery Ratio & Overhead: 如下圖 36 所示,我們可以觀察出,當藍線 Delivery Ratio 高於紅線 Overhwad. 50.

(60) 時,可用較低的 Overhead 來達到較好的 Packet Delivery Ratio,在 500 公尺到 2500 公尺之間的門檻距離中,封包到達率與路由開銷上都呈現出較好的效能,而在 3000 公尺雖然有持續放寬門檻距離,但所得到的效能卻沒有明顯的上升,在此我們可以 利用 500 公尺到 2500 公尺當成是我們設定門檻距離的範圍,並可視地圖上節點密度 來動態調整。. 圖 36:Packet Delivery Ratio & Overhead. 51.

(61) 第五章 結論與未來展望 在本篇論文中,我們提出了一個以公車系統為基礎的路由機制,為了能改善車 載延遲容忍網路中具有的高移動性與連線不確定性,在設計路由方面,在 BSRM 演 算法中我們考慮了以下幾點:(1)透過公共交通系統中的公車系統來進行路由,利 用公車的固定路線特性與公車站具備 RSU 功能,藉此讓路由開銷可有效的降低, (2) 門檻距離的應用,彌補公車因只能行駛在固定路線而有無法處理目的車不在公車路 線上的問題,且運用門檻距離的判斷也能夠限制一般車避免路由開銷過大的問題, (3) 候選公車選取程序,根據選取圓形區域內的公車路線,來篩選出可能與目的車相遇 的公車,計算方式是以動態來更新候選公車表,藉此讓封包更有效的可以往目的車 靠近,(4)驗證 RSU 對於路由有實質上的幫助,根據模擬數據的呈現,RSU 對於 路由的幫助,確實有提高封包到達率與降低延遲時間。 為了能讓我們所提出的路由能夠有真實性,在模擬的環境上,我們所使用的地 圖是高雄市地區圖公車系統方面利用高雄市公共汽車管理處所提供的公車路線與停 靠站來建置模擬環境,藉此證實我們所提出的 BSRM 在這樣的環境下是具有一定的 效能,模擬的結果證明,在封包到達率與其他路由相較之下,雖然我們的方法大部 分是只利用公車來進行路由,但整體的效能還是能跟一般車不相上下,特別是在路 由開銷方面能夠有效的減少,另外我們也模擬在有無設置 RSU 於公車站環境下的差 異性,結果顯示藉由 RSU 來進行封包停滯來等待其他公車或目的車來接收的想法, 對於我們路由的效能是非常有幫助的,最後在門檻距離對於 BSRM 影響分析模擬上, 為了能夠觀察出使用門檻距離的方式對於 BSRM 是否有實質上的幫助,在模擬的結 果顯示單純使用公車系統來攜帶封包的方式雖然在開銷上是非常低的,但無法有效 地將封包送達到目的車上,透過門檻距離的方式,就可以有效利用所以類型的節點 進行小範圍無條件的傳輸,藉此將封包送達到目的車上,經由這些實驗可以看出利. 52.

(62) 用公車系統來進行路由,是可以有效的減少路由的開銷,且封包到達率也可以維持 一定的水準。 在未來研究探討上,我們希望目前的路由機制在兩個地方做更進一步的改善, 在門檻距離的判斷方面,就目前的作法是使用找出最佳固定門檻距離,我們希望能 透過更多的地理資訊,如車輛的速度、距離、方向或地圖大小等,來動態計算出門 檻距離,藉此達到更高的效能,利用公車路線來做計算方面,找出適合的中繼節點 來慢慢接近目的車,為了能取得更精確的計算,除了上述所提到的地理資訊,另外 在加上公車系統中的班表,我們希望透過地理資訊和公車班表,解決目前方法中延 遲較長的問題。. 53.

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(67)

數據

圖  1:V2V 及 V2R 傳輸架構  在目前資料交換主要是以使用 TCP/IP 協定的網際網路環境中,由於 TCP/IP 協 定可以建立相對可靠,並具備較高封包到達率及穩定性的特性下,網路中傳輸的封 包具有相對較短的延遲時間。但是車載網路中的車輛節點,常因為車輛高速的移動 以及複雜的地理環境,加上車上設備較差的傳輸能力、較為有限的計算能力、較小 的資料儲存空間,使得車載網路具有動態拓樸、不穩定的連線品質、冗長的延遲時 間等特性,導致在車載網路的環境應用 TCP/IP 協定會面臨許多困難[5],而原先於
表  1:車載及延遲容忍網路路由方法特性比較
表 3:公共交通系統分析
圖  6:BSRM 之流程圖
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參考文獻

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