稀疏無線車輛任意網路中網路斷開之修復方式及時間

109年05月05日

【本報導由電機工程學系　黃政吉教授研究團隊提供】 　　無線車輛任意網路（vehicular ad hoc network, VANET），即車輛與車輛之間透過無線通訊裝置構成的通訊網路。其目的在於透過車輛與車輛之間彼此的訊息交換（vehicle-to-vehicle communication, V2V），使得相關的網際網路應用得以發展，如通知後方車輛緊急煞車以加強行車安全（road safety），或即時路況導航以提升行車舒適（driving comfort）。本研究主要針對稀疏的無線車輛任意網路（sparse VANETs），在訊息的傳遞（message delivery）遭遇網路斷開（network disconnection）時，如何透過對向的車輛進行修復（restoration），並討論網路斷開修復時間（rehealing delay）。 　　本研究討論連續兩個網路斷開之修復的相關性，利用嵌入式馬可夫鏈（embedded Markov chain, EMC）建立數學模型，並計算穩態下的修復時間機率分布。其數值結果發現，本研究提出的研究方法可提供更準確的修復時間，且可以更精準地計算訊息傳遞的延遲時間。   　　本研究主要探討無線車輛任意網路（vehicular ad hoc network, VANET），也就是車輛與車輛之間透過無線通訊裝置構成的通訊網路。無線車輛任意網路的目的在於透過車輛與車輛之間彼此的訊息交換（vehicle-to-vehicle communication, V2V），使得相關的網際網路應用得以發展，如通知後方車輛緊急煞車以加強行車安全（road safety），或即時路況導航以提升行車舒適（driving comfort）。 本研究針對稀疏的無線車輛任意網路（sparse VANETs），也就是離峰時段車輛間距較大，容易發生網路斷開，且車速較高的情況下，若訊息的傳遞（message delivery）遭遇網路斷開（network disconnection），如何透過對向的車輛進行修復（restoration），並討論其修復所需的時間，也就是網路斷開修復時間（rehealing delay）。在修復期間，由於車輛間的訊息轉傳所需的時間遠小於車輛行進的時間，前者因此可被忽略。 　　舉例來說，如圖一（Fig. 1）所示，假設為東西向（east-west, E-W）的高速公路，若東向的（eastbound）車輛（圖中橫軸下方指向右邊的三角形）進行逆流的（upstream）訊息傳遞時（換言之，訊息的傳遞方向為西向，或圖一的左方）發生網路斷開，對向車道上的車輛分佈情形可能有三種，分別如圖一之(a)、(b)、(c)所示。其中，圖一(a)代表西向車輛所構成的群集（cluster），可直接把東向的網路斷開連接起來；圖一(b)與(c)則代表西向群集的車輛必須移動一段距離，才可以完成訊息的轉傳。 　　圖一(a)的訊息轉傳過程詳述如後：首先，東向的sj會透過車輛與車輛的無線通訊，將訊息轉傳給某一個西向車輛，然後該西向車輛再透過西向群集內車輛間的無線通訊，轉傳至西向車道上的前方車輛，使得訊息可以最終轉傳給東向的dj，而完成東向網路斷開的修復。類似地，圖一(b)與(c)的轉傳過程中，東向的 sj會透過車輛間無線通訊，將訊息轉傳給西向群集的領先車輛β(j,0)，然後該西向車輛行走一段距離後，再把訊息轉傳給東向的dj，以完成東向網路斷開的修復。這樣的方式亦適用於修復西向的網路斷開。  　　上述的修復時間，可透過機率理論進行分析與計算。過去，已經有許多的論文提出如何計算修復時間的平均值（mean value）或機率分布（probability distribution）。然而，相關文獻的討論，都假設各個網路斷開的修復為獨立的（independent），以簡化分析。本研究針對這個缺失，討論連續兩個網路斷開之修復的相關性（correlation）；換言之，本研究討論第j個網路斷開（αj）之修復如何影響第(j+1)個網路斷開（α(j+1)）的修復。然後，利用嵌入式馬可夫鏈（embedded Markov chain, EMC）建立其數學模型，並計算穩態下的修復時間機率分布。計算出的數值結果可發現，本研究提出的研究方法可提供更準確的修復時間，使得我們可以更精準地計算訊息傳遞的延遲時間。