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A Directional Broadcast Protocol for Emergency Message Exchange in Inter-Vehicle Communications

A Directional Broadcast Protocol for Emergency Message Exchange in Inter-Vehicle Communications. 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁. Abstract. 在 VANET 中利用廣播做安全訊息的交換可達到合作駕駛的目的，但廣播同時 會帶來幾項缺點，例如 ：接收訊息過多 、連結的不可靠性、隱藏的 終端與 廣播爆發 (broadcast storm) 等， 進而降低 了網路效能 。

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A Directional Broadcast Protocol for Emergency Message Exchange in Inter-Vehicle Communications

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Presentation Transcript

  1. A Directional Broadcast Protocol for Emergency Message Exchange in Inter-Vehicle Communications 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

  2. Abstract • 在VANET中利用廣播做安全訊息的交換可達到合作駕駛的目的，但廣播同時會帶來幾項缺點，例如：接收訊息過多、連結的不可靠性、隱藏的終端與廣播爆發(broadcast storm)等，進而降低了網路效能。 • 因此，本篇提出了一個multi-hop的廣播協定PMBP，在車輛間利用優先權作緊急訊息的傳遞。並且考慮到MAC層與網路層的跨階層方法，而轉傳此訊息的中繼車輛是根據與來源車輛傳播方向的距離作選擇的。並且分析與模擬顯示PMBP不僅可以快速的傳遞緊急訊息，並且更可以減少過多的廣播訊息。

  3. Outline • Introduction • Related Work • Proposed PMBP A. BRTS/BCTS handshake B. Emergency message broadcast C. Multi-hop emergency messages relaying D. Priority E. BCTS packet collisions • Performance Analysis A. Number of informed nodes per hop B. End to end delay C. Ratio of informed nodes to broadcasting nodes • Simulation Results • Conclusion • References

  4. I. Introduction • IVC(Inter-vehicle communications)可運用於安全性的應用例如：壅塞迴避、事故預警等，所以在最近受到政府機構、學術團體及汽車產業的重視[1]。 • FCC（美國聯邦通訊委員會）已經認可將頻寬75MHZ的DSRC（專屬短距傳輸）系統作為ITS（智慧型傳輸系統）的應用[2]。 • 由於缺乏RTS與CTS的handshake可能會有隱藏節點（hiddenterminal）的問題，因此也會潛在封包碰撞[3]。

  5. Introduction(cont.) • 如果沒有重新廣播的控制機制，節點將不斷的重新廣播訊息，而引起廣播爆發（broadcast storm）的問題[4] 。 • 所以本篇提出了PMBP協定來傳送multi-hop的緊急訊息。 • (1)由cross layer方法，流動的中繼節點會根據來源節點的訊息傳遞方向，從鄰近節點中挑選一個最遠距離的作為下一個中繼節點，因而確保緊急訊息可以用最短的等待時間傳遞給遙遠的節點。 • (2)在每個hop，緊急訊息僅會廣播一次，因此可有效的減少多餘的訊息接收。 • (3)藉由採取RTS與CTS的handshake，可改善隱藏終端的問題，並且確保每個節點可正確的接收到緊急訊息。 • (4)緊急訊息擁有最高的優先權。

  6. II. Related Work • MANET的廣播協定的四種類型：[5] • (1)simple flooding[6][7]：節點在接收訊息後會直接廣播給其他節點。 • (2)機率方法： (a)節點會根據預先設定的機率轉廣播接收訊息，而當機率設定為1將會回到simple flooding。 (b)節點會根據在固定的時間區間內從鄰近節點接收多少的相同訊息來決定是否轉廣播訊息。 • (3)基於區域的方法，一個節點根據傳輸範圍內可傳遞的節點數量被選作為轉傳節點。 • (4)鄰居訊息方法，節點會根據其one-hop或two-hop鄰居消息決定是否轉傳接收訊息。 • 然而這些方法僅針對網路層中減少多餘的訊息，並未考慮MAC層上隱藏終端與封包碰撞等問題，因此它不適用於緊急訊息的廣播。

  7. Related Work(cont.) • VANET的廣播協定： • 中繼節點選擇距來源節點最遠的鄰近節點作為下一個中繼節點，但是由於車輛的快速移動，每個節點必須維持鄰近列表的更新[8]。 • 提出一個black burst廣播協定，中繼節點在RTS封包中的duration加上通道干擾訊號(black burst)，使得最遠的鄰近節點可獲得通道存取的機會[9]。 • 另一個black burst方法則是運用在語音流量的優先權存取[10]。 • 然而訊號干擾的方法會影響通道資源，所以會降低整體網路throughput。

  8. III.ProposedPMBP • 本篇中基於802.11e優先權模式來達到IVC中可靠的緊急訊息廣播，並且假設車輛可由GPS獲得位置資訊。 • 而從修改的RTS封包中，PMBP藉由相對的位置訊息選擇下一個中繼節點，並且重覆此過程直到系統內所有節點都獲得緊急訊息。

  9. A.BRTS/BCTS handshake • 首先定義BRTS，在一般的RTS封包內增加position_x，position_y，em_info三個欄位。 • 預估傳送封包時佔用通道的時間： R：傳輸範圍 dis_slot：車輛的平均長度 　　：短時間間距 　　：時槽

  10. d2 d1 不回 回 回 回 S (init_x , init_y) 不回 R (position_x , position_y) N (x,y) D 回

  11. 節點廣播BRTS後會開始一個重傳計時。 • 根據d1及d2決定是否回覆BCTS封包。 • d1 ＞ d2，在延遲時間後回覆 • d1 ＜ d2，丟掉BRTS封包 • 所以距離來源節點最遠的鄰近節點會有最小的td，因此會有最高的優先權回覆BCTS。 R：傳輸範圍 dis_slot：車輛的平均長度 　　：短時間間距 　　：時槽

  12. 如果其他同時在 td狀態的鄰近節點，聽到一個BCTS回覆給相同的BRTS會有下列幾個步驟： • (1)停止td • (2)丟掉它的BCTS封包 • (3)根據聽到的BCTS封包的timeduration作NAVs的更新 • 當鄰近節點回覆一個BCTS後，會開始重傳的計時。 • 更新NAVs目的是要避免隱藏節點的問題。

  13. B. Emergency message broadcast • 如果中繼節點接收到BCTS，會在一個SIFS後廣播緊急訊息。 • 在此系統中的每個節點都擁有一個列表，用來記錄所有接收的緊急訊息，並且保有來源節點的address與緊急訊息的序列號(sequence number)。因此當接收一個緊急訊息後，節點可以對照列表來決定是否要留下。

  14. C. Multi-hop emergency messages relaying • 回覆BCTS中最遠的鄰近節點，會在一個SIFS後廣播BRTS。 • 其目的為： • (1)確認中繼節點傳送的緊急訊息已成功接收到。 • (2)此節點成為下一個hop的中繼節點。 • 接著作為新的中繼節點會使用先前回覆BCTS時預留的通道，重複往下一個hop作緊急訊息的傳遞過程。

  15. D. Priority • 相同於IEEE802.11e，節點會在AIFS區間感測通道是否空閒，而確認空閒後開始作通道競爭，AIFS與CW的重新競爭計算如下： • 其中PF(Persistence factor)值設定為2.0，而緊急訊息擁有最小的AIFS與CWmin、CWmax獲得最高的優先權。

  16. Introduction：EDCF • AIFS：Arbitration Inter-Frame Space • AIFS ≧ DIFS (AIFS = DIFS + 0 或數個 time slots)

  17. Introduction：DCF 偵測到 Idle • DCF：Distributed Coordination Function • CW：Contention Window Idle < DIFS (busy) DIFS Idle = DIFS 進入CW Backoff Time = Random() * slot time Random() = [0,CW] , CWmin ≦CW≦ CWmax BT ≠ 0 (busy) Backoff Time 下次進入時繼續倒數 BT = 0 • 第一次傳輸：CW = CWmin • 成功傳輸後：CW = CWmin • 失敗後重傳： • CW = min(CWmax , (CWold + 1) * PF - 1) Transmission 未收到ACK ACK 收到ACK

  18. E. BCTS packet collisions • 當兩個節點在相同的距離區塊回覆給相同的中繼節點時會造成封包碰撞的發生。 • 因此設計鄰近節點傳送BCTS封包後開始一個重傳計時器，當timer overflow後鄰近節點還沒收到緊急訊息，就會開始backoff timer並且重傳BCTS封包。

  19. IV.PreformanceAnalysis • (1)假設車輛由相同的入口進入高速公路，並且移動方向相同。 • (2)所有車輛的移動速度為V。 • (3)車輛根據普瓦松分配進入， 表示單位時間的變化量。 • (4)實際通道是可靠的且無誤差的。

  20. A. Number of informed nodes per hop • 假設x為在[0~t]，隨機進入高速公路的車輛。 • 假設y為已進入的兩台相鄰車輛時間區間的隨機變數。 • 假設z為兩車之間距離的隨機變數，並且在傳輸範圍R之中。

  21. 最後可以得到，中繼節點傳輸範圍內的平均鄰近節點數：最後可以得到，中繼節點傳輸範圍內的平均鄰近節點數：

  22. B. End to end delay • 其定義為要傳送緊急訊息時，從來源節點到最後一個節點的花費時間。 • 而第一個hop的傳遞時間最長，因為第一個節點傳送緊急訊息時需作通道競爭，而從第二個hop開始就不會競爭，回覆BCTS時就會預留通道資源作BRTS的傳送。 • 因此點對點的延遲 表示為：

  23. 第一個hop的時間為： • 為來源節點handshake與廣播緊急封包花費的時間： • 為來源節點存取通道的時間，並且由研究[11]可表示為： ：BRTS碰撞的機率 ：每個backoff階段 ：backoff過程的總時間

  24. 從第二個hop開始，中繼節點僅有等待廣播BRTS封包的SIFS時間，所以表示為：從第二個hop開始，中繼節點僅有等待廣播BRTS封包的SIFS時間，所以表示為： • 最後一個hop的車輛數可能小於 ，因此 很可能大於 ，並且表示為： • 當s=0，表示所以車輛在來源節點的傳輸範圍中，並且點對點的延遲可從 獲得。

  25. C. Ratio of informed nodes to broadcasting nodes • 在IVC中，緊急訊息應該被快速的廣播並且在最小的頻寬消耗作可靠的傳輸，所以利用最少的中繼節點作最有效率的廣播對效能評估就格外重要，而在PMBP中每個hop僅有一個中繼節點作緊急訊息的傳遞，因此其比率為

  26. V.SimulationResults • 假設全部車輛以相同的速度進入高速公路，在一段時間區間後，一個節點開始作緊急訊息的傳遞，由下列三項與simple flooding方法作系統效能的比較。 • (1)點對點的延遲。 • (2)通道佔用時間。 • (3)有緊急訊息的車輛與有作廣播的車輛比較。

  27. VI. Conclusion • 本篇提出的PMBP協定可有效的廣播緊急訊息，並且藉由模擬分析顯示，其運用較少的網路資源作快速的訊息傳遞，並且避免了隱藏節點與廣播爆發等問題。 • 在未來的研究，將使用較複雜的移動模型來模擬實際道路，並且作其他效能參數的分析。

  28. References • [1] J. Luo and J. P. Hubaux, “A Survey of Inter-Vehicular Communication,” Technical Report IC/2004/24, School of Computer and Communication Sciences, PFL, 2004. • [2] Dedicated Short Range Communications Working Group, [Online], Available: http://grouper.ieee.org/groups/scc32/dsrc/. • [3] L. X. Cai, X. Shen, J. W. Mark, L. Cai and Y. Xiao, Voice Capacity Analysis of WLAN with Unbalanced Traffic, IEEE Trans. Veh. Technol, vol.55, no.3, pp. 752-761, 2006. • [4] Y.-C. Tseng, S.-Y. Ni, Y.-S. Chen, and J.-P. Sheu, “The Broadcast StormProblem in a Mobile Ad Hoc Network,” Wireless Networks, vol. 8, no.2/3, pp. 153-167, 2002. • [5] B. Williams and T. Camp, “Comparison of Broadcasting Techniques for Mobile Ad Hoc Networks,” In Proc. of MobiHoc’02, pp. 194-205, Jun.2002.

  29. [6] C. Ho, K. Obraczka, G. Tsudik, and K. Viswanath. “Flooding for Reliable Multicast in Multi-hop Ad Hoc Networks,” In Proc. of DIALM’99, pp. 64-71, Aug. 20, 1999. • [7] J. Jetcheva, Y. Hu, D. Maltz, and D. Johnson. A Simple Protocol for Multicast and Broadcast in Mobile Ad Hoc Networks. Internet Draft: draft-ietf-manetsimple-mbcast-01.txt, Jul. 20, 2001. • [8] L. Briesemeister and G. Hommel, “Role-based Multicast in Highly Mobile but Sparsely Connected Ad Hoc Networks,” In Proc. IEEE/ACM Workshop MobiHOC, pp. 45-50, Aug. 2000. • [9] G. Korkmaz, E. Ekici, F. Ozguner, “Black-Burst-Based Multihop Broadcast Protocols for Vehicular Networks”, IEEE Trans. Veh. Technol, vol. 56, no. 5, pp. 3159-3167, Sept. 2007. • [10] P. Wang, H. Jiang, and W. Zhuang, “IEEE 802.11e Enhancements for Voice Service,” IEEE Wireless Communications, vol. 13, no. 1, pp. 30-35, Feb. 2006. • [11] D. X. Xu, T. Sakurai, H. L. Vu, “MAC Access Delay in IEEE 802.11e EDCA,” In Proc of VTC’06 Fall, pp. 1-5, Sept. 2006.

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