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指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

Black-Burst-Based Multihop Broadcast Protocols for Vehicular Networks Gökhan Korkmaz , Member, IEEE, Eylem Ekici , Member, IEEE, and Füsun Özgüner , Member, IEEE. 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁. Abstract.

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指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

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  1. Black-Burst-Based Multihop Broadcast Protocols for Vehicular NetworksGökhanKorkmaz, Member, IEEE, EylemEkici, Member, IEEE, and FüsunÖzgüner, Member, IEEE 指導老師：郭文興 教授 學生：陳奕燁

  2. Abstract • 本篇提出的城市多跳廣播（UMB）與adhoc多跳廣播（AMB）協定主要是用於避免廣播時造成的broadcaststorm,hidden node與reliability問題，並且藉由在傳輸範圍內分割區塊選擇一台距離最遠的車輛作廣播封包的轉傳。 • 模擬與flooding協定作比較，顯示此方法有相當高的封包成功傳遞率與有效的通道利用，並且在傳輸沒有障礙物阻擋的情況下可以不必使用交叉路口的中繼設施。

  3. Outline • I. Introduction • II. Directional Broadcast A. Request to Broadcast/Clear to Broadcast Handshake B. Transmission of DATA and ACK • III.Intersection Broadcast A. UMB B. Fully Ad Hoc Intersection Handing With the AMB Protocol C. Branching Analysis • IV.Performance Evaluation A. Simulation Parameters B. Results • V. Conclusion • References

  4. I. Introduction • 廣播方式在IVC傳遞中的運用相當廣泛，例如： emergency, traffic, weather, road data等，因此也產生了不同封包大小與傳遞速率。 • 在轉傳過程中可能會有interference、packet collisionsand hidden nodes問題造成封包停止傳送，所以減少不必要的轉傳可有效避免這些問題。 • 在MANET中可以在沒有任何拓墣資訊使用flooding傳遞，研究[3]已顯示一個改善方法，但是對於高的節點密度或高的封包量其傳遞效率仍舊不高。

  5. Introduction(cont.) • 在研究[4]提出了一個DDT（ demand-driven transmission）方法，藉由調整轉播封包的時間讓距離來源最遠的節點作轉傳。 • [5][6]使用拓璞資訊作廣播，並且排除多餘的封包。 • [7]使用轉傳封包前基於距離的等待時間，並且對較大的車輛數與較高的移動速路作前瞻性研究。 • [8][9][10]利用802.11handshake機制來改善hidden node問題。 • [11]對於IVC中短封包廣播，藉由定義傳輸視窗作每台車輛的通道存取限制。

  6. Introduction(cont.) • 本篇提出基於IEEE802.11的多跳廣播協定AMB與UMB[12]，目的要解決broadcaststorm,hidden node與reliability問題。 • AMB與UMB由兩階段組成： • 方向性廣播：傳送者在沒有拓璞資訊情況下，選擇一個最遠的鄰近節點作封包的轉傳。 • 交集廣播：找尋最佳節點位置在交叉路口作分支廣播。 • 而AMB與UMB是使用相同的方向性廣播機制，但其交集廣播方式是不同的。

  7. II. Directional Broadcast • 藉由在傳輸範圍內分割區塊，讓位於不同區塊的車輛有不同的等待時間，找尋最遠的車輛作為來源的對應節點，並且利用handshake機制讓傳輸達到可靠性。 • 每個RTB僅作一個方向的傳遞，如果有一個以上的傳遞方向，將再產生一個新的RTB封包。

  8. A. Request to Broadcast/Clear to Broadcast(RTB/CTB) Handshake • 來源節點傳遞方向的道路分割Nmax個區塊，並且僅選擇一個最遠的節點作handshake。 • 如果最遠的區塊中有一個以上的節點，將再分割更小的子區塊搜尋，但在重覆分割子區塊過程後還無法找到最遠節點，將會進入一個隨機程序。 • RTB packet：transmission duration 、sourceposition and broadcast direction。

  9. 1)First RTB Attempt: • 鄰近節點接收到RTB後，會在SIFS內發送black-burst信號，並且等待信號時間結束後，觀察通道是否空閒。 • 如空閒，表示其發送的信號最長(d最大)，並且在CTB TIME後發送CTB封包。 • 如忙碌，表示還有車輛在更遠處。 • Black-burst的目的是作通道使用的等待時間，讓最遠的節點可以回覆CTB。 L1：black-burst長度 d：來源節點與車輛間的距離 R：傳輸範圍 Nmax：分割的區塊數 R/Nmax：區塊寬度

  10. 2) Collision Among CTB Packets: • 當最遠的區塊中有一個以上的節點回覆CTB，將發生碰撞。 • 來源節點會發現有一個傳輸，但卻無法解碼CTB封包，此時會在SIFS(決議僅有回覆CTB的節點可連結)後再發送RTB。 • 而區塊將再被分割Nmax個子區塊，並重複此過程直到成功接收到CTB或是到達Dmax。 Li：第i階段的black-burst ：前一階段中最長的black-burst ：前一階段的區塊寬度 1/ ：此階段的分割寬度

  11. 3) Random Black-Burst Length: • 如果在Dmax後， black-burst的區塊分割方法還無法解決碰撞問題，則在最後階段中有發送CTB的節點將進入隨機選取狀態。 • 節點會在[0,Nmax − 1]隨機選擇一個black-burst長度，再傳送CTB。 • 但如果在 隨機程序後，來源節點還是無法接收到，則會在一個隨機等待時間後重新開始區塊碰撞的解決過程。

  12. 4) No Black-Burst Response: • 當來源節點在傳送RTB封包後，發現通道是空閒的或是沒有接收到任何的CTB，此時來源節點會假設沒有任何車輛接收到RTB，並且在一個隨機時間後傳送新的RTB封包。

  13. B. Transmission of DATA and ACK • 來源節點成功的接收到CBT，他將傳送DATA封包給選擇到的目的節點，此節點會回覆ACK封包作確認，並成為來源對應節點（corresponding node of the source），而它將有責任轉傳廣播封包。 • 但如果來源節點在ACK timeout前沒有接收到ACK封包，它將在一個隨機時間後重回區塊分割階段。

  14. III.Intersection Broadcast • 當封包的傳遞方向上遇到交叉路口，將會開始一個新的方向性廣播給所有方向的路口。 • UMB是用於傳遞視線被阻擋時，將使用一個中繼器在道路口作廣播。 • AMB則是使用最靠近路口的車輛作廣播，並且可避免使用中繼器(的花費)。

  15. A. UMB • 基於每個節點可由GPS或數位道路地圖可得知自己的節點位置以及交叉路口位置，來源節點會透過對應節點把廣播封包傳遞到中繼器上。 • 如果對應節點在中繼器的傳輸範圍內，將使用IEEE802.11的點對點傳遞機制傳送。 • 如不在傳輸範圍內，對應節點將繼續使用方向性廣播到達傳輸範圍內。 • 中繼器接收封包後，會在除了來源節點方向外的所有道路作方向性廣播。 • 但是當對應節點與中繼器在 後沒有成功傳遞，對應節點將換成AMB操作。

  16. B. Fully Ad Hoc Intersection Handing With the AMB Protocol • AMB是UMB的延伸，使用最靠近路口的車輛作交集廣播給其他方向的道路區塊，並且可避免使用路口的中繼器。 • 交集廣播機制由兩階段組成： • (1)選擇hunter vehicle，並且定義交集範圍。 • (2) hunter vehicle根據black-burst找出最靠近路口的車輛，此車輛將作其他道路區塊的訊息分支廣播。

  17. 1) Selecting the Hunter Vehicle: • 由於方向性廣播可以讓來源節點在每個傳輸範圍R內至少可以找到一個對應節點，因此定義在距離路口R／2處開始進入交集廣播的範圍，並且在此區域中選擇一個節點作為Hunter Vehicle。 • 另外一個選擇R／2的原因是，hunter vehicle會選擇傳輸範圍內最靠近路口的車輛作交集廣播，在最糟的情況下， hunter vehicle距離路口R／2，它在其他路口方向的節點覆蓋範圍會大於R／2。

  18. 2) Selecting a Vehicle for Branching the Packet Dissemination: • hunter vehicle會傳遞一個I-RTB封包給所有在交集範圍的節點，不同於RTB封包選擇一個最遠的節點作handshake，I-RTB封包會藉由改變的d，讓最靠近路口的節點作handshake。 • 當選擇到最靠近路口的車輛，它就必須作所有道路的方向性廣播。 ：發送black-burst的節點位置 ：最靠近路口的節點位置

  19. C. Branching Analysis • 利用不同的交集範圍與節點密度，來觀察分支廣播的成功機率。 • 最佳方向性廣播位置，對於不同的交集範圍沒有差異性。 • 最差的位置，其方向性廣播的距離就會最短，並且可由Y得知。

  20. C. Branching Analysis(cont.) • 由於 並且假設車輛是以指數分佈，所以AMB最糟情況的分支廣播成功率為： • 藉由公式與圖表可分析出，符合所有的節點密度下，當 有最大的成功機率。 ：平均車輛密度 ：分集長度

  21. C. Branching Analysis(cont.) • 由於UMB是在X軸上擺設固定的中繼器，故其散播傳遞機率僅需考慮Y軸車輛密度，表示為： • 比較在不同的節點密度下， AMB的最大成功機率與當 情況下的AMB ，以及UMB的成功機率。

  22. IV.Performance Evaluation • 使用C-language-based simulator [15]來評估AMB與UMB的效能。 • 並且和802.11-distance 與 802.11-random 兩個協定作比較。 • 802.11-distance：車輛藉由與來源節點距離成反比的等待時間，避免轉傳廣播封包時的碰撞。 • 802.11-random：車輛在轉傳廣播封包時，會有一個隨機的等待時間。 ：車輛等待轉傳封包的最大Slot數

  23. A. Simulation Parameters • 模擬環境： • (1)長3000m的高速公路。 • (2) 有4個交叉路口的道路。 • 每條道路有兩個不同方向的車道， 車輛以指數分佈在道路中，並且不 考慮車道變換、轉向與超車情況。 而車輛速度以平均速度40km/h， 標準差5km/h的高斯分佈。 • AMB與UMB設定參數： • 共同參數：

  24. B. Results 1) Successful Packet Delivery Percentage: • 使用兩種封包大小比較4種協定的廣播封包接收率。 • 由於UMB僅使用路口中繼器，當封包較長可能會增加封包碰撞與排隊延遲情形。 • 而802.11-distance 和802.11-random由於隱藏節點問題與缺乏ACK機制，封包碰撞更為嚴重，造成傳遞率更低。

  25. 2) Normalized Load Generated per Broadcast Packet: • 廣播封包產生的負載量表示在所有傳遞過程中散播封包的bit數總合。 • 發送的總bit數／廣播封包的數量 ＝ 每個廣播封包的散播量。 • 此參數較小表示通道的使用較有效率。

  26. 3) Packet Dissemination Speed (in Meters per Second): • 利用封包經過距離的延遲評估在一點上的傳遞速率。 • 延遲時間定義為從進入來源節點的queue至接收到封包的花費時間。 • 由於802.11-distance 和 802.11-random封包傳遞率非常低，因此減少了queuingdelay，但在封包長度增大時其傳遞速率就比AMB低。

  27. VI. Conclusion • 本篇利用black-burst的方式讓來源節點可以選擇到最遠的對應節點，並且分析在交叉路口的兩種廣播方法，而模擬結果顯示AMB擁有最高的封包成功傳遞率及有效的通道使用。 • 並且推斷同時使用AMB與UMB將可以得到廣播問題的最大改善，在未來的研究方面，將使用方向性議的題來增強兩協定的效能。

  28. References • [1] H. Hartenstein, B. Bochow, A. Ebner, M. Lott, M. Radimirsch, andD. Vollmer, “Position-aware ad hoc wireless networks for inter-vehiclecommunications: The fleenet project,” in Proc. ACM Symp. MobiHOC,Oct. 2001. • [2] Q. Xu, T. Mak, J. Ko, and R. Sengupta, “Vehicle-vehicle safety messagingin DSRC,” in Proc. 1st ACM Workshop Veh. Ad-hoc Netw., Oct. 2004,pp. 19–28. • [3] Y.-C. Tseng, S.-Y. Ni, Y.-S. Chen, and J.-P. Sheu, “The broadcast stormproblem in a mobile ad hoc network,” Wirel. Netw., vol. 8, no. 2/3,pp. 153–167, Mar.–May 2002. • [4] M.-T. Sun,W.-C. Feng, T.-H. Lai, K. Yamada, H. Okada, and K. Fujimura,“GPS-based message broadcast for adaptive inter-vehicle communications,”in Proc. VTC, 2000, vol. 6, pp. 2685–2692. • [5] W. Lou and J.Wu, “On reducing broadcast redundancy in ad hoc wirelessnetworks,” IEEE Trans. Mobile Comput., vol. 1, no. 2, pp. 111–122,Apr.–Jun. 2002. • [6] I. Stojmenovic, M. Seddigh, and J. Zunic, “Dominating sets and neighborelimination based broadcasting algorithms in wireless networks,” IEEETrans. Parallel Distrib. Syst., vol. 13, no. 1, pp. 14–25, Jan. 2002. • [7] L. Briesemeister and G. Hommel, “Role-based multicast in highly mobilebut sparsely connected ad hoc networks,” in Proc. IEEE/ACM WorkshopMobiHOC, Boston, MA, Aug. 2000, pp. 45–50.

  29. [8] The Institute of Electrical and Electronics Enginneers (IEEE), WirelessLAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications,(a.k.a. ISO/IEC 8802-11:1999(E)), ANSI/IEEE Std.802.11, 1999.[Online]. Available: http://standards.ieee.org • [9] K. Tang and M. Gerla, “MAC reliable broadcast in ad-hoc networks,” inProc. MILCOM, Oct. 2001, vol. 2, pp. 28–31. • [10] M.-T. Sun, L. Huang, A. Arora, and T.-H. Lai, “Reliable MAC layermulticast in IEEE 802.11 wireless networks,” in Proc. Int. Conf. ParallelProcess., 2002, pp. 527–536. • [11] K. Tokuda, M. Akiyama, and H. Fujii, “DOLPHIN for inter-vehicle communicationssystem,” in Proc. IEEE Intell. Veh. Symp., 2000, pp. 504–509. • [12] G. Korkmaz, E. Ekici, F. Ozguner, and U. Ozguner, “Urban multi-hopbroadcast protocols for inter-vehicle communication systems,” in Proc.1st ACM Workshop VANET, 2004, pp. 76–85. • [13] J. L. Sobrinho and A. S. Krisnakumar, “Distributed multiple accessprocedures to provide voice communications over IEEE 802.11wireless networks,” in Proc. Global Telecommun. Conf., 1996, vol. 3,pp. 1689–1694. • [14] J. L. Sobrinho and A. S. Krisnakumar, “Quality-of-service in ad-hoccarrier sense multiple access wireless networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun.,vol. 17, no. 8, pp. 1353–1368, Aug. 1999. • [15] H. Schwetman, “CSIM User’s Guide Rev. 1,” Microelectron. and Comput.Technol. Corporation, Tech. Rep. ACT-126-90, 1991. Rev. 1. • [16] LAN/MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, Part11:Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY)Specifications: Higher-Speed Physical Layer Extension in the 2.4 GHzBand, IEEE Std. 802.11b-1999, 1999.

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