LOA-CAST ： A Novel Low-Overhead Information Broadcast Scheme in Vehicular Adhoc Networks

1. LOA-CAST：A Novel Low-Overhead Information Broadcast Scheme in Vehicular Adhoc Networks 指導教授：郭文興老師 學生：吳順雄

2. Abstract • 本篇paper提出一種在VANET中廣播非緊急資訊的新方法(LOA-CAST，Low-Overhead Aggregated Broadcast)。 • 藉由聚集不同來源的資訊並一起傳送的方式來降低overhead，而且傳遞距離可以根據來源密度進行調整以限制整體的overhead。 • 結果顯示即使存在著惡意節點、故障節點或是大量的廣播來源都能正常作用並維持overhead的限制。

3. Outline • I. Introduction • II.Low-Overhead Aggregated Broadcast(LOA-CAST) Scheme • A. Assumptions and Message Contents • B. Operations of Low-Overhead Aggregated Broadcasting Scheme(LOA-CAST) • C. State Transition and Clock Settings in LOA-CAST

4. Outline • D. The Aggregation of Messages and the Transmission Interval • E. Robustness of LOA-CAST • F. Signaling Overhead and Message Speed

5. I. Introduction • 在網路中，資訊傳遞時會按照緊急程度分成不同等級。 • 緊急情況和意外通知需要很低的延遲和高可靠度，並且需在第一時間傳遞。 • 提供駕駛周圍的環境資訊(天氣狀況、車速、空的停車位等等)，在傳遞過程中可以有一些延遲，甚至在頻寬不足時，可以停止或延遲傳遞。

6. 獲得環境資訊的方法有兩種 • 主動式-各個車輛自行詢問有興趣的地區或是節點的資訊，並等待回答。 • 被動式-每個車輛被動的接收所有資訊源廣播的資訊。 • 本篇主要在討論非緊急資訊的被動傳遞 • 許多車輛會在同一時間詢問相同的資訊，這會浪費許多頻寬在傳遞重複的訊息。 • 車輛不知道他感興趣的資訊源是否存在。

7. 雖然廣播環境資訊比個別詢問適當，但仍然有一些問題雖然廣播環境資訊比個別詢問適當，但仍然有一些問題 • 管理─由於資訊源在不同位置且各自廣播，所以中繼點在不同來 源之間的溝通比較困難，也不好管理廣播的overhead。 • 效率─環境資訊的內容很簡短，但是在傳遞時會花費太多時間在 傳送RTS/CTS或是碰撞的情況。 • 彈性─當頻寬允許時，能通知越多的車輛越好；當頻寬不足時， 可以限制傳遞的數量。

8. 許多基於位置的路由方式像是[GPSR]和[GSR]，或是基於群體的路由方式像是[CB1]和[CB2]都已經被提出。許多基於位置的路由方式像是[GPSR]和[GSR]，或是基於群體的路由方式像是[CB1]和[CB2]都已經被提出。 • [GPSR] B. Karp and H.T. Kung, “GPSR: Greedy perimeter stateless routing for wireless networks,” • [GSR] C. Lochert, H. Hartenstein, J. Tian, D. Herrmann, H. Füßler, and M. Mauve, “A routing strategy for vehicular ad hoc networks in city environments,” • [CB1] C.R. Lin and M. Gerla, “Adaptive clustering for mobile wireless networks,” • [CB2] J. Wu and H. Li, “A dominating-set-based routing scheme in ad hoc wireless networks,” • 使用這些路由以及上層的額外設計，主動詢問服務可以被實現。 • 已經有很多方式被提出來，但是他們都聚焦在分開廣播的中繼和路由方面，而沒有考慮到多個廣播源的情況下，惡意節點對整體overhead的影響。

9. Geocast是另一種方法，他可以在一個範圍內廣播訊息(ZOR, Zone of Relevance)。 • [abiding]的作者提出一個特殊的geocast方法，他在一段時間內的一個範圍維持封包，當車輛通過那個地區時都可以被通知。 • 雖然這些方法可以通知小區域內的車輛，但是因為固定的ZOR和分開中繼的原因，在大範圍的廣播就不適用。 • 在寬廣地區分開廣播的overhead會變很高且很難控制。

10. 本篇paper設計Low-Overhead Aggregated Broadcast(LOA-CAST)，用來傳播非緊急的環境資訊。 • 他滿足前面提到的所有廣播方法，而且整體overhead叫底且是被限制的。 • 即使網路中有惡意節點或是故障節點，整個網路還是很穩定。

11. II. Low-Overhead Aggregated Broadcast (LOA-CAST) Scheme A. Assumptions and Message Contents • LOA-CAST基於以下兩個假設 • 每個車輛知道他的速度、位置以及方向。 • 每個車輛知道其他所有節點的位置、方向以及傳遞範圍。 • 每個車輛的時間同步。

12. 基於以上的假設，我們設計的訊息架構如下 • Time：資訊廣播的時間。 • Time-to-live(optional)：訊息的有效期。 • Source ID：辨識每個廣播源的個人ID。 • Source position/direction：傳送端的方向和位置。 • Message body：傳送端想要廣播的內容。

13. B.Operations of Low-Overhead Aggregated Broadcasting Scheme(LOA-CAST) • 駕駛只會對於前方環境的資訊有興趣，所以我們忽略對向車道的訊息。 • 由於VANET中的節點是分散且動態的，為了使訊息能正確的傳遞，我們使節點操作在4種模式： • Silent mode • Beating mode • Source mode • Relaying mode

14. Beating mode • 當車輛在幾個周期沒有接收到ABM(aggregated broadcast message)，他就會初始一個ABM並向後傳遞。 • 因此他轉變成beating mode並定期廣播空的ABM。 • ABM的大小是固定的，所以LOACAST消耗的頻寬是被限制住的。 • 當訊息數大於ABM時，較早的訊息會被移除。 • 每次傳送時，beater會找出每個岔路最遠的節點當作中繼點，並將中繼點的ID加在ABM內來通知他們。

16. Source mode • 當ABM傳到時，source只會廣播他本身包含的訊息(BM)。 • Source有3種形式來處理不同的資訊： • Permanent sources(PSs)：廣播他自己的廣告訊息的節點，像是商店的RSU或是停車場提供駕駛停車位的資訊。 • Temporary sources(TSs)：當車輛通過一個含有重要資訊的地點，但是那邊沒有可靠的PS，此時車輛就變成臨時的可靠節點來回報狀況。 • 例：要知道一個路段最新的交通狀況，我們可以在每輛車上的GPS裝置宣告virtual check points(VCP)，當ABM通過那個區域時，最接近這些VCP的車輛就會變成TS，透過測量和廣播道路的平均車速變可以獲得交通資訊。

17. Merging sources(MSs)：由於許多叉路的ABM會同時傳遞訊息導致高流量負載，為了減少重複的訊息，中繼點會在兩種情況下自動轉換成source mode。 • 當中繼點在傳遞自己的ABM之前就先收到其他分支傳來的ABM，此時中繼點就變成MS並立即將自己原有的訊息以BM的方式傳遞，因此下個ABM的中繼點便可以將不同分支的訊息合併。 • 當節點在上個ABM的冷卻時間內被選為中繼點時也會變為MS，並將新的ABM以BM的方式接收，但不會立即傳遞出去，直到接收到下一個ABM時才會將合併後的訊息傳遞出去。

19. 透過以上的方式，不論道路拓樸的形狀如何，皆可以有效減少複製ABM所產生的overhead。透過以上的方式，不論道路拓樸的形狀如何，皆可以有效減少複製ABM所產生的overhead。 • 除了這些來源之外，另一種來源會在接收到ABM時，立即以BM的方式傳遞。 • 在傳輸範圍內，如果有許多來源同時傳遞許多BM，可以透過CSMA/CA來避免碰撞。

20. Relaying mode • 傳遞ABM時，傳遞範圍內最遠且最可靠的節點會被選為中繼點。 • 傳遞完ABM後會轉變為silent mode並成為一般節點。 • 中繼點和beater一樣會決定下一個中繼點，並將下個中繼點的ID紀錄在ABM內。 • 當中繼點的傳輸範圍內有岔路時，會在每個分支各選一個中繼點以傳遞訊息。

21. Silent mode • 當節點不需要傳遞訊息時，他會接收訊息並將訊息解碼，然後獲得最新的狀況。

22. C.State Transition and Clock Settings in LOA-CAST

23. D. The Aggregation of Messages and the Transmission Interval • 當中繼點接收到ABM時，會先移除已經無效的訊息和timestamp錯誤的訊息。 • 來自相同來源的資訊，只會留下最新的訊息，其他重複的部分會全部移除。 • 如果ABM內的訊息量還是大於ABM的尺寸，則會按照時間和距離的排序，將時間最久和距離最遠的訊息移除，使後方車輛能收到更有用的資訊。

24. 透過以上方法，訊息在傳遞的時間和範圍變得較彈性。透過以上方法，訊息在傳遞的時間和範圍變得較彈性。 • 當訊息數量多時，每個訊息在ABM內存留的時間會變短，且會在小範圍內傳遞。 • 當訊息數量少時，每個訊息在ABM內存留的時間會變長，且能傳遞的範圍會更寬廣。

25. 中繼點除了能控制ABM的內容外，也能控制傳遞的區間。中繼點除了能控制ABM的內容外，也能控制傳遞的區間。 • 為了最小化訊息的延遲，中繼點在收到ABM後必須盡快將訊息傳出去。 • 如果有許多分支要傳遞ABM或是遇到惡意節點傳送大量ABM時，中繼點會因為沒有機會合併這些訊息，使得這些重複的ABM很難被移除。 • 中繼點在傳遞新的ABM之前，會先等待一段時間來收集傳輸範圍內的BM。

26. 設定中繼點在傳遞之前的等待時間為 。 • Beater傳遞ABM的週期為 。 • 因此，中繼點的等待時間為 。

27. E. Robustness of LOA-CAST • 本節考慮一個路段的節點操作錯誤，並討論後面的節點受到影響後的行為。 • 在LOA-CAST中使用的訊息只有BMs和ABMs，以下3種攻擊模式透過影響BMs和ABMs傳遞進行攻擊。 • 被動攻擊─透過阻斷BMs和ABMs的傳遞進行攻擊。 • 主動攻擊─透過傳遞大量BMs和ABMs進行癱瘓網路的攻擊。 • 來源的主動攻擊 • 中繼點/beater的主動攻擊

28. 被動攻擊 • 當節點超過 還沒收到ABMs時，節點會變成beater。 • 但當他接收到前方的ABM時，beater又會變回原本的普通節點。 • 雖然這種攻擊會阻礙資訊的傳遞，但是不會影響後面節點的操作，也不會影響後面的資訊源。

29. 來源的主動攻擊 • 當節點傳送過多的BMs，可能會阻斷ABMs的空間並取代其他資訊源。 • 他不會影響後面的資訊源的傳遞，因為後面都有較大的timestamp可以覆蓋前一個BMs。 • 即使故障節點偽造BMs中的timestamp，訊息仍然能輕易的被中繼點偵測到並移除。

30. 中繼點/beater的主動攻擊 • 當許多ABMs從故障節點傳遞出來時，可能會有許多中繼點被選來傳遞ABMs。 • 第一個ABM使後面所有節點進入冷卻期，導致下一個ABM不能傳遞，直到冷卻期結束。

31. 從以上的分析可知，當節點故障時，前面的資訊會被阻斷，或產生錯誤的資訊，但是後面節點在廣播資訊和操作上都不會被影響。從以上的分析可知，當節點故障時，前面的資訊會被阻斷，或產生錯誤的資訊，但是後面節點在廣播資訊和操作上都不會被影響。

32. F. Signaling Overhead and Message Speed • 由於BM的數量是由來源密度決定的，而且只會影響傳輸的範圍，所以這邊只分析ABM的overhead。 • 雖然節點位置和距離會隨著時間變化，但是在 時間內，車輛相對位置的變化是很小的，所以我們可以將訊息速度視為固定的。 • 由於中繼點在一個週期 內只會傳遞一個ABM，所以訊號傳遞的overhead是 。

33. 無線節點在一個 內是被兩個ABM使用(前方的中繼點或beater、後方的中繼點)，所以LOA-CAST的overhead是 。 • 如果連對向車道也考慮進去，overhead就是 。

34. 訊息的傳遞速度為每單位時間內訊息傳遞的距離。訊息的傳遞速度為每單位時間內訊息傳遞的距離。 • 因為中繼點會選最遠的節點當作下一個中繼點，所以我們假設兩個中繼點間的距離為R。 • 在 時間內，中繼點行走的距離為 。 • ABM實際傳遞的距離為 。 • 訊息的傳遞速度為 。

35. 由以上分析可知， 如果定得太大會降低傳遞速度； 中繼點需要時間收集資訊，所以也不能定得太小。 • 因此正確的選擇 和 才能得到想要的訊息傳遞速度、訊號傳遞的overhead和其他的實際需求。