SBRV: A Speed-Based Routing Protocol for Vehicular Ad-hoc

1. SBRV: A Speed-Based Routing Protocol for Vehicular Ad-hoc Chian-Wei Chen and Wanjiun LiaoDepartment of Electrical EngineeringNational Taiwan UniversityTaipei, Taiwan 指導教授：郭文興 老師 學生：童彥諴

2. 目錄 • 0. Abstract • 1. INTRODUCTION • 2. Speed-Based Routing Protocol for VANET (SBRV) • A. Introduction of SBRV • B. Beacon • C. Save and Remove Neighbor Information • D. Choosing VAP from Neighbor • E. Control Message • F. VAP Switching • G. VAP Reset • H. Data Forwarding

3. 目錄 • III. Simulation • A. Simulation over Different Vehicle Density • B. Simulation of Congestion Windows • IV. Conclusions and Future Work

4. Abstract • 我們提出多跳式的路由協定，設計在高速公路的道路情況下。 • 當車輛在傳輸範圍外，車輛透過多跳的傳輸方式連接RSU，讓通訊時間能夠延長，效能變好。

5. INTRODUCTION • 車輛能夠從GPS獲得基本的自身資訊，例如位置、速度。 • 車輛能夠發現其他人的存在，和透過無線網路交換彼此的資料。 • 為了實現，V2V和V2R，資料的交換機制再車用網路中一直被研究，像傳送安全的訊息[1] [2] [3]，向前傳送的路由協定[4] [5] [6]、基於通道的存取[7]

6. INTRODUCTION • 當車輛在RSU的傳輸範圍之外，我們建立一個多跳的路由路徑，用來連接車輛和RSU。 • 目前有些路由協定像AODV[8]和DSDV[9]，他們不是為了車用網路所設計。我們的目標是找到一個穩定及有效的車用路由。

7. Speed-Based Routing Protocol for VANET (SBRV)A. Introduction of SBRV • 1. VAP：中繼節的點叫做，virtual access point (VAP)(虛擬存取點)。我們把RSU當作一個hop-0的中繼節點。RSU指定hop-1 VAP。然後hop-1 VAP指定hop-2 VAP……。 • 2. CAR：假如車輛沒有被指定城VAP叫做CAR。 • 3. State：「-1」代表一般的車輛(CAR)。「0」代表RSU。「n」是指大於等於1的整數，代表hop-n VAP。 • 4. Phase：當RSU在一台車輛的前面，這台車輛在RSU的“entering phase”「進入的相位」，然後車月來越接近RSU。然而當RSU在一台車輛的後面，車輛在RSU “exiting phase”「離開的相位」。

8. B. Beacon • Beacon資訊的細節展示在表一。 • 提供VAP的車輛需要有兩種資訊在他的Beacons裡面，分別是： • “Previous-hop VAP” 是先前的一個VAP。 • “next-hop VAP”是下一個VAP。 • 同樣的RSU也有兩種電波“entering phase VAP” and “exiting phase VAP”。

9. C. Save and Remove Neighbor Information • 每台車輛必須記得可連接的鄰近車輛名單，叫做“neighbor list”。鄰近列表的正確性會影響我們協定的效能。 • 1.儲存和更新鄰近資訊：一台車叫A，接收到一個無線電訊息從B車。 • A車中的鄰近列表沒有B的資料，B的資料直接的被儲存到A的鄰近列表中。 • 假如，B車傳送過來的訊息，比A車中鄰近列表的訊息新，就會更新此訊息。 • 2. 刪除鄰近的資訊：為了從的鄰近列表移除離開的車輛，車輛可以透過其他車輛週期性傳來的電波來解決這個問題。

10. C. Save and Remove Neighbor Information • 為了解決這個問題，車輛透過計算“estimated location”(評估的位置) (estLocaiotn)，來及時的評估鄰近車輛的位置。在A的鄰近列表中有台車叫B，可以透過A中鄰近列表資料來評估B的位置。 • B的位置可以透過下列方法計算： • L和S代表在A的鄰近列表中B最新的位置和速度。T表示A從接收到的電波到A檢查鄰近列表的時間。 • 如果上式滿足，從A的傳輸列表移除B

11. D. Choosing VAP from Neighbor • 選擇的中繼節點是為了對於RSU和VAP有更好的傳輸範圍。所以說，能夠保持較長的連線時間的節點比較好。 • 例如：A在RSU的後方150m，B在RSU的後方200m，所以說B能延展的範圍比較大，但是B的速度比A還快，所以當B超過A後，B車的傳輸利益就比A車差了。所以速度和位置都要被考慮進去。

12. D. Choosing VAP from Neighbor • 1. Entering phase (進入的相位)：因為車輛在RSU前方的話沒有任何可增進傳輸利益的地方，所以他們得增益被設為0，因此我們只考慮，在RSU或VAP後方的車輛。 • 如圖1：

13. D. Choosing VAP from Neighbor • 2. Exiting phase(離開的相位)：和進入的相位，計算方式相同，只是在位於RSU後方的車輛，都被設為0。 • 3. VAP的選擇：RSU從所有鄰近者分別的選擇兩個最大的增益。

14. E. Control Message • 1. VAP-assigning packet (VAP分配封包)： • 當RSU或hop-n VAP選擇一個新的next-hop VAP，VAP-assigning packet會被傳送到，他們所選擇的車輛。 • 被RSU選擇的車輛狀態會變成hop-1，被hop-n VAP選擇的車輛狀態會變成hop-(n+1) VAP，如果VAP-assigning packet傳來的封包狀態比較高，就會被刪除。 • 已變成hop-(n+1) VAP的車輛，會檢查他的鄰近列表，如果沒有能夠增加傳輸利益的車輛存在，他不做任何的事情，直到他收到新的傳輸列表資料或控制訊息。

15. E. Control Message • 2. VAP-cancelling packet (VAP取消封包)： • 當RSU或hop-n VAP選擇一台新的車代替先前的next-hop VAP，VAP-cancelling packet就會被發送給先前的next-hop VAP。 • 假如VAP收到的VAP-cancelling packet是來自於previous-hop VAP，他就會把自己狀態設為-1。然後傳送VAP-cancelling packet 到他下一個next-hop VAP

16. F. VAP Switching • A是一個hop-n VAP，B是next-hop VAP (hop-(n+1))。當A發現車C，它的增益比B還好，A就會把C取代B變成新的hop-n VAP。 • 參數 是用來決定VAP是否替換它的next-hop VAP的參數。VAP轉換的過程，有兩種情況如下。

17. F. VAP Switching • 情況一： • A的VAP-assigning packet到的C的時間比，B的VAP-cancelling packet到C的時間早。 • 當C收到A傳來的VAP-assigning packet，它會檢查A的狀態(n)是否比B的狀態(n+1)小。如果是的話，C傳送VAP-assigning packet到它的next-hop VAP通知它改變狀態。 • 當C改變完狀態後收到，來自B的VAP-cancelling packet，C檢查這個封包，發覺它不是來自previous-hop VAP，因為C的previous-hop VAP已經變成A。完成上面的步驟後，C變成hop-(n+1) VAP，B變成CAR。

18. F. VAP Switching • 情況二： • B的VAP-cancelling packet到的C的時間比，A的VAP-assigning packet到C的時間早。 • 當C接收到從B來的VAP-cancelling packet，它檢查這個封包，確定封包是來自previous-hop VAP。如果是的話，C改變自己的狀態變成-1，同時C又傳送VAP canceling packet到next-hop VAP。 • 之後，C接收來自A的VAP-assigning packet，C又會改變自己的狀態變成n+1。 • 在我們的協定中，RSU的VAP交換機制不同於VAP。因為為了保持通道的穩定RSU不會一直改變它的hop-1 VAP，除非到了有必要的時候。

19. F. Data Forwarding • 1. Packets from Vehicles to RSU (車輛轉交封包到RSU)： • 當車輛想要傳輸封包到RSU，它會搜尋它自己的鄰近列表，假如存在一個VAP，它的相位和行進方向都和自己一樣，它就會轉交封包給那個VAP。 • 假如車輛發現，RSU在自己的鄰近列表中，車輛就會直接轉交封包給RSU。

20. F. Data Forwarding • 2. Packets from RSU to Vehicle (RSU轉交封包到車輛)： • 當有一台車輛叫做A，RSU想要傳送封包到A，它會先檢查自己的鄰近列表，假如A在鄰近列表中，RSU直接傳送封包到A。 • 否則，RSU轉交封包到hop-1 VAP，叫做B，B接收到RSU要傳送到A的封包，B會檢查A是否在自己的鄰近列表中，是的話直接傳送，不是的話搜尋相同的相位和相同的前進方向傳送封包到最遠的VAP，假如B找不到較遠的VAP的話，就丟棄這個封包。

21. I. Phase Switching • 一：假如有一台車從進入的相位要通過RSU，它會轉換自己變成離開的相位。 • 二：考慮有兩個以上RSU，假如有一個RSU1在2km處，另一個RSU2在4km處，現在有一個車輛叫B，它剛通過RUS1變成離開的相位。當B繼續往前開，找到一個VAP叫C它在RSU2進入的相位中，假如B發現C的狀態都比在RSU1離開的相位中所有車輛的狀態值都小，B就會轉換變成RSU2進入的相位，因為此時B和RSU2的距離比RSU1近。

22. III. Simulation • A. 模擬車輛不同的密度 • 我們使用NS2.29來模擬一個4線道的高速公路。 • 時速的上限是110 km/hr，每條道路寬4公尺。 • 從起點開始每間隔1.2km有一個RSU，車子的數量是20到200台隨機分布在0~1.2km處。 • 依照台灣高速公路局[11]的規定，如果時速是110 km/hr，那每台車的距離至少要保持110m。 • 當車輛超過40台因為要保持每台車的距離，所以速度設定如表3。

23. III. Simulation

24. III. Simulation • 我們的協定和no-ad-hoc-routing [12]、greedy forwarding [13]、AODV [8]，來比較彼此的tcp總流量(每個節點的流量的總和)、每個節點的流量、和封包轉交率。 (a) Aggregate TCP throughputs.

25. III. Simulation (b) Per-node throughput. (c) Packet delivery ratio.

26. III. Simulation • B. 競爭視窗的模擬 • 大部分得設定跟上述的一樣，只是道路一、二、三設定為13台車，道路四，有兩種情況，一種是高速的移動，另一種是高速的移動，傳輸時間是10~50秒，總模擬時間是60秒。

27. III. Simulation • 在圖四21.43到35.71秒時，因為車輛直接和RSU通訊，所以Greedy和SBRV圖形會重疊，圖五重疊的原因跟圖四一樣。 Fig. 4. Congestion window of high mobility model.

28. III. Simulation Fig. 5. Congestion window of low mobility model.

29. IV. Conclusions and Future Work • 我們提出的協定比目前的協定都好。 • 未來的工作： • 我們打算在複雜的道路拓樸上架構我們的協定。 • 另外多通道的車用通訊方式DSRC [14]也可用於我們提出的協定。電波和資料封包，可以用不同的通道傳輸，可以獲得更準確的鄰近列表和，降低的競爭和多餘的網路資源的浪費。

30. References • T. ElBatt, S. K. Goel, G. Holland, H. Krishnan, and J. Parikh, “Cooperative Collision Warning Using Dedicated Short Range Wireless Communications,” ACM VANET, 2006. • W. Chen, and S. Cai, "Ad Hoc Peer-to-Peer Network Architecture for Vehicle Safety Communications," IEEE Communications Magazine, Vol. 43, Issue 4, pp. 100-107, 2005. • S. Biswas, R. Tatchikou, and F. Dion, “Vehicle-to-Vehicle Wireless Communication Protocols for Enhancing Highway Traffic Safety,” IEEE Communications Magazine, Vol. 44, Issue 1, pp. 74-82, 2006. • H. Wu, R. Fujimoto, R. Guensler, and M. Hunter, “MDDV: Mobility-Centric Data Dissemination Algorithm for Vehicular Networks,” ACM VANET, 2004. • J. Zhao and G. Cao, “VADD: Vehicle-Assisted Data Delivery in Vehicular Ad Hoc Networks,” IEEE INFOCOM, 2006. • D. Yong, W. Chen, and X. Li, “A Static-Node Assisted Adaptive Routing Protocol in Vehicular Networks”, ACM VANET, 2007. • M. Jhang and W. Liao, “On Cooperative and Opportunistic Channel Access for Vehicle to Roadside (V2R) Communications,” IEEE GLOBECOM, 2008. • C. E. Perkins and E. M. Royer, “Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing,” IEEE WMCSA, 1999. • C. E. Perkins and B. Pravin, "Highly Dynamic Destination-Sequence Distance-Vector Routing (DSDV) for Mobile Computers," ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Vol. 24, No. 4, pp. 234-244. 125, October 1994. • The Network Simulator ns2. http://www.isi.edu/nsnam/ns • Taiwan Area National Freeway Bureau, MOTC. http://www.freeway.gov.tw • NO Ad-Hoc Routing Agent (NOAH). http://icapeople.epfl.ch/widmer/uwb/ns-2/noah/ • I. Stojmenovic, “Position-Based Routing in Ad Hoc Networks,” IEEE Communications Magazine, vol. 40, Issue 7, pp. 128-134, July 2002. • H. Oh, C. Yae, D. Ahn, and H. Cho, “5.8 GHz DSRC Packet Communication System for ITS Services,” IEEE VTC, 1999