Speed adaptive information dissemination in vehicular AD-HOC networks

Abstract

Ένα σημαντικό θέμα σε δίκτυα αυτοκινήτων είναι ο σχεδιασμός ενός αποδοτικού σχήματος εκπομπής δεδομένων το οποίο μπορεί να αναλάβει την γρήγορη και αξιόπιστη διάδοση κατ επείγον μηνυμάτων προειδοποίησης στην εγγύς περιοχή ενός αναπάντεχου γεγονότος όπως είναι ένα δυστύχημα. Σε αυτή τη διατριβή προτείνουμε μια καινοτόμα λύση στην οποία αναφερόμαστε ως Προσαρμοστική Πιθανοτική Διάχυση με βάση την Ταχύτητα. Το προτεινόμενο σχήμα εφαρμόζει την τεχνική της πιθανοτικής διάχυσης για την άμβλυνση των αρνητικών επιπτώσεων του φαινομένου της καταιγιστικής εκπομπής που παρατηρείται όταν χρησιμοποιηθεί τυφλή διάχυση, και το ιδιαίτερο του στοιχείο είναι ότι η πιθανότητα αναμετάδοσης ρυθμίζεται προσαρμοστικά με βάση την ταχύτητα του αυτοκινήτου για εξουδετέρωση των επιπτώσεων των μεταβαλλόμενων πυκνοτήτων αυτοκινήτων στο οδικό δίκτυο. Η επιλογή αυτή στηρίχτηκε στην αναγνώριση φαινομένων μετάπτωσης φάσης που καθορίζουν μια κρίσιμη πιθανότητα που εξαρτάται από την πυκνότητα των αυτοκινήτων και επιδεικνύεται να είναι γραμμικά συσχετισμένη με την ταχύτητα του αυτοκινήτου (μια τοπικά μετρίσιμη ποσότητα). Το πρωτόκολλο απολαμβάνει ένα αριθμό πλεονεκτημάτων σε σχέση με άλλες προσεγγίσεις: είναι απλό να υλοποιηθεί, δεν προσθέτει επιπλέων φόρτο επικοινωνίας αφού στηρίζεται σε τοπικές πληροφορίες, και δεν εξαρτάται από την ύπαρξη ενός συστήματος καθορισμού θέσης (GPS) το οποίο χαρακτηρίζεται από ψηλό αριθμό ανταλλαγής μηνυμάτων με σκοπό την αμοιβαία αναγνώριση. Το σχήμα έχει αξιολογηθεί σε διαφορετικά τμήματα του συστήματος αυτοκινητοδρόμων στην πόλη του Los Angeles και στην Κύπρο, χρησιμοποιώντας μια ενιαία πλατφόρμα που συνδέει τον μοντελιστή OPNET και τον εξομοιωτή VISSIM. Τα αποτελέσματα εξομοίωσης αποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο σχήμα ικανοποιά τους στόχους σχεδιασμού καθώς επιτυγχάνει ψηλή προσβασιμότητα και χαμηλή καθυστέρηση στην διάχυση του μηνύματος. Το σχήμα επιδεικνύεται να είναι ανεξάρτητο του αριθμού των λωρίδων στον αυτοκινητόδρομο όπου εφαρμόζεται και συνεχίζει να αποδίδει ικανοποιητικά όταν η κίνηση μιας κατεύθυνσης αντικατασταθεί από κίνηση δύο κατευθύνσεων. Επιπλέων, ο αλγόριθμος υπερτερεί του αλγορίθμου τυφλής διάχυσης σε όλα τα σενάρια και ειδικά σε περιπτώσεις μεγάλης συμφόρησης. Επιδεικνύεται επίσης η ευρωστία του αλγορίθμου σε σχέση με τον διαφορετικό αριθμό των μεταπηδήσεων, διαφορετικών ορίων ταχύτητας και διαφορετικής εμβέλειας μετάδοσης. Καταλήγοντας, η απόδοση του αλγορίθμου έχει δειχτεί να είναι συγκρίσιμη με αυτήν σχημάτων τα οποία προσφέρουν αυξημένες ευκαιρίες ψηλής απόδοσης με τη χρήση συστημάτων εντοπισμού θέσης όπως είναι το GPS.

A significant issue in vehicular ad hoc networks (VANETs) is the design of an effective broadcast scheme which can facilitate the fast and reliable dissemination of emergency warning messages (EWM) in the vicinity of an unexpected event, such as a vehicle accident. In this work we propose a novel solution to this problem, which we refer to as Speed Adaptive Probabilistic Flooding (SAPF). The scheme employs probabilistic flooding to mitigate the effects of the broadcast storm problem, typical when using blind flooding, and its unique feature is that the rebroadcast probability is regulated adaptively based on the vehicle speed to account for varying traffic densities within the transportation network. The motivation behind this choice is the identification of the existence of phase transition phenomena in probabilistic flooding in VANETs which dictates a critical probability is affected by the varying vehicle traffic density, and shown to be linearly related to the vehicle speed (a locally measurable quantity). The protocol enjoys a number of benefits relative to other approaches: it is simple to implement, it does not introduce additional communication burden, as it relies on local information only, and it does not rely on the existence of a positioning system (e.g. GPS) with its associated high signaling overhead for the exchange of beacon messages for mutual awareness. The scheme is evaluated on different sections of the freeway system in the City of Los Angeles and Cyprus, using an integrated platform combining the OPNET Modeler and the VISSIM simulator. Simulation results indicate that the proposed scheme fulfills its design objectives, as it achieves high reachability and low latency of message delivery in a number of scenarios. The scheme is shown to be independent of the number of lanes of the freeway where it is applied, and it continuous to perform as required when uni-directional traffic is replaced by bi-directional traffic. Moreover, the SAPF algorithm has been shown to outperform blind flooding in all scenarios and especially in cases of heavy congestion. Its robustness with respect to different number of hops, different speed limits on the freeway where it is applied, and different transmission range of the vehicles participating in the VANET has also been demonstrated. Finally, the performance of the SAPF algorithm is shown to be comparable to schemes which offer increased opportunities to exhibit superior performance by assuming the presence of GPS positioning systems on board the vehicles.