1 / 36

指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

VC-MAC: A Cooperative MAC Protocol in Vehicular Networks Jin Zhang, Student Member, IEEE, Qian Zhang, Senior Member, IEEE, and Weijia Jia , Senior Member, IEEE. 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁. Abstract. 在車用網路中，流量控制與網路連結的研究正快速的成長與演進，特別是資料大量下載的情況。

xanti
Download Presentation

指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. VC-MAC: A Cooperative MAC Protocol in Vehicular NetworksJin Zhang, Student Member, IEEE, Qian Zhang, Senior Member, IEEE, and WeijiaJia, Senior Member, IEEE 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

  2. Abstract • 在車用網路中，流量控制與網路連結的研究正快速的成長與演進，特別是資料大量下載的情況。 • 本篇提出一個車輛的合作媒介存取控制，稱為VC-MAC，他是利用WIS(weighted independent set)模型去選擇一個最佳中繼集合，並且使用空間的分集與合作的傳遞，去增加系統Throughtput，再使用NS-2模擬顯示其效能。

  3. Outline • Introduction • Application Scenarios • System Model and Theoretical Analysis A. Channel quality B. Neighbor set C. User capacity D. Interference constraint E. Interference-free relay node subset F. System capacity • VC-MAC Protocol A. Gateway’s Broadcast Period B. Information-Exchange Period C. Relay Set Selection Period D. Packet-Forwarding Period

  4. Simulation Results A. Toy Configuration B. General Random Topology • Related Work • Conclusion • References

  5. I. Introduction • 在車用網路中，利用Gateway可讓駕駛人下載交通資訊，或讓乘客們獲得娛樂資訊。而Gateway是散佈在道路邊，並且利用無線網路連結至Internet。 • 此外，Gateway還提供多樣的資訊，除了餐廳、購物中心、電影院或鄰近的加油站位置，還包括餐廳菜單、電影場次、優惠活動以及汽油標價等等。 • 利用Traffic load可將Gateway資訊傳至鄰近車輛，而downlink至車輛會比uplink大很多，因此設計一個Protocol來提升資訊下載的Throughput，進而提升系統效能便成了一個重要議題。

  6. Introduction(2) • 然而，要實現高效能傳輸必須克服一些車用網路的特性。 • 1.Gateway是以分散式的擺設，當車輛行駛超出了傳輸範圍，便無法直接的傳輸。 • 2.車輛的高速行駛也會影響傳輸品質。 • 3.不同的車輛有不同的通道條件，這是由於一些特性所影響(multipath fading，shadow fading)。

  7. Introduction(3) • 本篇我們提出一個VC-MAC協定，使用合作通信的概念並且利用廣播時空間的可複用性(spatial reusability)的優勢，從Gateway的廣播動作觀察資訊下載的情形。 • 在好的通道條件用戶可以正確的接收到資料，而在有干擾或不完整傳輸的用戶就無法正確的接收資料。所以在我們的協定可以利用空間分集(spatial diversity)讓所有節點都接收到資料。 • 但是如果所有節點都作為中繼點，也可能會造成嚴重的干擾與碰撞發生，所以我們必須只選擇一部分的用戶作為最佳中繼集。

  8. II. Application Scenarios • 在車用網路中，每輛汽車必須配載一個溝通裝置，而Gateway會以固定的區間架設在高速公路上。同時，Gateway會周期性的發送封包，當車輛進入傳輸範圍內就會接收到一個封包。 • 未正確接收到的車輛，稱為 Potential Destinations(D1 、D2、D3、D4)。 • 已接收到封包並可能作中繼 轉傳節點的車輛，稱為 Potential Relays(R1、R2 、R3)。

  9. 在一段時間後Potential Destination車輛會駛離Gateway的傳輸範圍，並且假設Potential Relays會以大概相同的速度行駛在Potential Destination的附近，因此它可以代替Gateway傳遞資料給Destination車輛。

  10. III.System Model and Theoretical Analysis 合作傳遞過程可以分割成兩個階段 • 第一階段是Gateway’s broadcast stage：Gateway會廣播封包給所有傳輸範圍內的用戶。 • 第二階段是random access stage：選擇適當的中繼節點並且傳送資料。 • 下列中M是總用戶，N是第一階段後有接收到封包的用戶，並且標記為0～N-1。而M – N就是剩下的未接收到封包的用戶。並且假設全部移動車輛的相對位置沒有改變。

  11. (1)Channel quality：以SNR表示一對用戶間的通道條件。（M*M的矩陣） 例如：σi,j為通道i到j的SNR，其可由用戶最後一個成功的傳遞測量到，當沒有成功的傳遞σ等於零，當i=j σ等於無限大。 • (2)Neighbor set：每個Potential relay節點會有一個鄰居集合。 H(n) = {m|σn,m≥ σth, 0 ≤ m ≤ M − 1}, 0 ≤ n ≤ N − 1 n為節點n，m為其他的鄰居節點，M為總用戶數，N為全部的Potential relay 節點，σth為訊雜比門檻值。

  12. (3)User capacity：表示用戶n廣播給他的鄰居的容量加總。 • (4)Interference constraint：以N*N矩陣表示用戶n的干擾限制。 B = {bn,k|bn,k∈ {0, 1}}N×N 當bn,k= 1表示potential relay節點n與k會同時傳輸而發生碰撞，因此他們不能在relay set中同時被選擇。

  13. (5)Interference-free relay node subset：為一個中繼節點選擇的結果，在同時廣播為無干擾的情況，並且滿足干擾限制的定義情況，N*1的向量表示 。 A = {an|an∈ {0, 1}}N×1 ai+ aj≤ 1, if bi,j= 1, ∀0 ≤ i, j ≤ N − 1。 Λ(B,C)n,m表示節點n、m其限制B、C的無干擾中繼節點集合。 • (6)System capacity：為中繼節點n的無干擾的容量加總。 U(A) =∑0≤n≤N−1anC(n) 並且將中繼節點的選擇最佳函數表示為：

  14. 利用減少最大的WIS來解決最佳化選擇問題，並且產生一個圖G=(V,E,W)。利用減少最大的WIS來解決最佳化選擇問題，並且產生一個圖G=(V,E,W)。 V = {0, 1, . . .N −1} (第一階段後有接收到封包的用戶集合) E = {(i, j)|bi,j = 1, 0 ≤ i, j ≤ N − 1}(節點i與節點j產生碰撞的集合) W(n)為加權的C(n)。 d(n)表示n在圖G中的階層(degree)。 • 而最大的WIS集合設定為Ｉ，其它的任一個WIS集合設定為Ｉ’，因此W(I ) ≥ W ( I ‘ )。

  15. 最大的WIS問題為NP-hard的問題，但他可以利用greedy演算法解決，在[7]中作者顯示了一個greedy嚴謹的近似值為1/Δ(G)，其中Δ(G)為圖中最大的程度(maximum degree of the graph)。 • 利用相似的greedy演算法 (1)由w(n)/(d(n) + 1)遞減排序Potential relay節點。 (2)取第一項Potential relay節點並刪除其節點排隊的鄰居。 (3)再從剩餘排序中取第一項並刪除其節點排隊的鄰居。 • 反覆的操作直到沒有剩餘的排序節點，最後會變成一個Relay node set à ，最佳的Relay node set為A*。 U(A˜) ≥ (1/Δ(G))U(A∗)

  16. IV. VC-MAC Protocol • (1)Gateway’s Broadcast Period：Gateway會週期性的廣播封包給傳輸範圍內的車輛，當中並不會作handshake與acknowledgement，僅會確認通道是否閒置的。 • (2)Information-Exchange Period：資訊交換週期分成relay access period與destination access period。 a. relay access period：中繼節點在backoff後發送RI封包(告知別人自己是中繼節點)，然後目的節點會收到並構成中繼節點的鄰近列表。

  17. b.destination access period：目的節點在backoff後發送DI封包，然後中繼節點接收到並記錄其信號強度。

  18. TRA = s*RI ；TDA = t*DI • 每個中繼節點會選擇k個目的節點發送，其發送時間為 Tsent = T0 + k*TRI • 目的節點會在T1時間後進入目的存取週期 T1 = Trecv + (s-k-1)*TRI

  19. (3)Relay Set Selection Period： a.作為中繼節點必須成功接收到Gateway發送的資料 b.中繼節點不應該在Potential destination節點接收時發生碰撞 c.選擇的中繼節點其系統容量必須為最大的 • 基於WIS的greedy演算法的理想狀態，每一個中繼節點一但進入中繼集合選擇週期就會直接開始backoff程序，每個節點的backoff time設定為(c(d(n) + 1))/w(n)。 • 第一個完成backoff程序的節點被選作為active relay，而傳輸會造成碰撞的 Potential relay節點會停止其backoff程序並且不會被選作為中繼節點，由前面的描述w(n)/(d(n) + 1)較高的會先被選作為中繼集合。

  20. 其他的Potential relay節點聽到RRTS或RCTS封包，便會立即停止backoff，進入閒置(防止在同樣的傳輸範圍中產生干擾)。 • 當一個Potential relay節點離開一個選定節點的干擾範圍，便會重新開始節點選擇的演算法，並且傳送資料給有需要的Potential destination節點。

  21. (4)Packet-Forwarding Period： 在所有RCTS被接收後，選定的Potential relay節點便開始傳送資料封包給鄰近的Potential destination節點，並發揮空間的可復用性，然後就結束一個協定的週期，所有節點將閒置等待gateway下次的廣播。

  22. (4)Discussions： a.中繼與目的節點的存取週期長度：其長度會影響系統效能因為較長的TRA與TDA中如果中繼節點增加與目的節點減少會造成RI與DI碰撞機率增加，同時overhead也會變大。 b.中繼選擇週期長度：太短的時間週期可能影響一些可利用Potential relay節點沒有足夠的時間完成backoff，因此沒有被挑選到。太長的時間週期可能導致在選擇過程中其他通道長時間的閒置。

  23. 分析backoff中繼選定方法失敗：在一個固定區域內，如果最好的relay’s backoff與第二好的relay’s backoff區隔小於h，則中繼節點選定將失敗。 • h =TRRTS + Ttrans + 2Tprop • 選定失敗機率：

  24. V. Simulation Results 假設三種情形與VC-MAC作比較 • 1)ALL-MAC：指的是在backoff後，所有Potential relay節點都發送資料封包。 • 2)SINGLE-MAC指：的是在gateway的傳輸後，選擇一個最好的relay節點作傳遞。 • 3)NO-MAC：指的是沒有節點作封包傳遞。

  25. 車速：30m/s(108km/hr)

  26. A. Toy Configuration • SINGLE-MAC：5個用戶獲得資料 • ALL-MAC：4個用戶獲得資料 • NO-MAC：3個用戶獲得資料 • VC-MAC：6個用戶獲得資料

  27. B. General Random Topology • 顯示VC-MAC比上其他方式的Throughput Gain • 圖中顯示，VC-MACover ALL-MAC後半段Gain明顯增加，是由於節點密度越大，碰撞發生就越多。

  28. 接下來分別顯示模擬範圍內節點數量20、30、40、50的情況。接下來分別顯示模擬範圍內節點數量20、30、40、50的情況。

  29. 經過平均的統計 VC-MAC throughput 高出 SINGLE-MAC 40% ALL-MAC 30% NO-MAC 70%~80%

  30. VI. Related Work • [17]解決在gateway上從資料點上到車輛的資料分配問題，網路的分群協定(SPAWN)。 • [5]VANETCODE，使用網路編碼的概念來作VANET的分怖設計。 • [14][20]VANET的合作下載。 • [20]研究網路編碼的效能來分配P2P網路。 • [15][16]TTI的廣播傳輸效率。 • [8] [11]各種合作通信的介紹與效能比較。 • [12]使用backoff機制來選擇最佳中繼節點，(只考慮一個中繼點)。 • [21] [22]利用中繼點達到MAC的合作協定。 • [23]提出CMAC協定增強802.11e WLAN MAC協定。 • [24]減少功率消耗的MAC合作協定。

  31. VII. Conclusion • 本篇提出的VC-MAC方法，利用選擇最佳的中繼節點作合作的資料傳遞，並且考慮節點的通道條件與節點碰撞的可能性，以達到最大效益的傳輸，而結果顯示此系統效能比其他方式提升許多。

  32. References • [1] Network Simulator. [Online]. Available: http://www.isi.edu/nsnam/ns • [2] DSRC Home. [Online]. Available: http://www.leearmstrong.com/dsrc/dsrchomeset.htm • [3] J. Ott and D. Kutscher, “Drive-thru Internet: IEEE 802.11b for automobileusers,” in Proc. IEEE INFOCOM, Mar. 2004, pp. 362–373. • [4] T. Small and Z. J. Haas, “The shared wireless infostation model—A new ad hoc networking paradigm,” in Proc. ACM MOBIHOC, 2003, pp. 233–244. • [5] S. Ahmed and S. S. Kanhere, “VANETCODE: Network coding to enhancecooperative downloading in vehicular ad hoc networks,” in Proc. IWCMC,Jul. 2006, pp. 527–532. • [6] IEEE 802.16 Working Group. [Online]. Available: http://www.ieee802. org/16/index.html • [7] S. Sakai, M. Togasaki, and K. Yamazaki, “A note on greedy algorithms forthe maximum weighted independent set problem,” Discrete Appl. Math.,vol. 126, no. 2/3, pp. 313–322, Mar. 2003.

  33. [8] A. Nosratinia, T. E. Hunter, and A. Hedayat, “Cooperative communicationin wireless networks,” IEEE Commun. Mag., vol. 42, no. 10, pp. 68–73,Oct. 2004. • [9] J. N. Laneman, D. N. Tse, and G. W. Wornell, “Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062–3080, Dec. 2004. • [10] A. Sendonaris, E. Erkip, and B. Aazhang, “User cooperation diversity—Part I: System description,” IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp. 1927–1938, Nov. 2003. • [11] A. Sendonaris, E. Erkip, and B. Aazhang, “User cooperation diversity—Part II: Implementation aspects and performance analysis,” IEEE Trans. Commun., vol. 51, no. 11, pp. 1939–1948, Nov. 2003. • [12] A. Bletsas, A. Khisti, D. P. Reed, and A. Lippman, “A simple cooperative diversity method based on network path selection,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 24, no. 3, pp. 659–672, Mar. 2006. • [13] A. Nandan, S. Das, andM. Gerla, “Co-operative downloading in vehicular ad-hoc wireless networks,” in Proc. WONS, Jan. 2005, pp. 32–41.

  34. [14] M. Johnson, L. De Nardis, and K. Ramchandran, “Collaborative contentdistribution for vehicular ad hoc networks,” in Proc. Allerton Conf.Commun., Control, Comput., Sep. 2006, pp. 751–760. • [15] L. Wischhof, A. Ebner, H. Rohling, M. Lott, and R. Halfmann, “Adaptivebroadcast for travel and traffic information distribution based on intervehiclecommunication,” in Proc. IEEE Intell. Vehicle Symp. (IV), 2003,pp. 6–11. • [16] L. Briesemeister, L. Schafers, and G. Hommel, “Disseminating messagesamong highly mobile hosts based on inter-vehicle communication,” inProc. IEEE Intell. Vehicle Symp. (IV), 2000, pp. 522–527. • [17] W. H. Yuen, R. D. Yates, and S. C. Mau, “Noncooperative content distributionin mobile infostation networks,” in Proc. IEEE WCNC, Mar. 2003,pp. 1344–1349. • [18] W. H. Yuen, R. D. Yates, and C. W. Sung, “Performance evaluation of highway mobile infostation networks,” in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2003, pp. 934–939.

  35. [20] U. Lee, J.-S. Park, J. Yeh, G. Pau, and M. Gerla, “CodeTorrent: Contentdistribution using network coding in VANETs,” in Proc. 1st Int.WorkshopDecentralized Resource Sharing Mobile Comput. Netw. (MobiShare),Sep. 2006, pp. 1–5. • [21] P. Liu, Z. Tao, and S. Panwar, “A cooperative MAC protocol for wirelesslocal area networks,” in Proc. IEEE ICC, Jun. 2005, pp. 2962–2968. • [22] T. Korakis, S. Narayanan, A. Bagri, and S. Panwar, “Implementing a cooperative MAC protocol for wireless LANs,” in Proc. IEEE ICC, Jul. 2006, pp. 4805–4810. • [23] S. Shankar, C. Chou, and M. Ghosh, “Cooperative communication MAC(CMAC)—A new MAC protocol for next generation wireless LANs,” inProc. IWCMC, Jun. 2005, pp. 1–6. • [24] A. Azgin, Y. Altunbasak, and G. AlRegib, “Cooperative MAC and routingprotocols for wireless ad hoc networks,” in Proc. IEEE GLOBECOM,Dec. 2005, pp. 2854–2859.

More Related