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道路交通網上でパケット配信を実現する交通量を考慮した距離ベクトルルーティング

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近年,車社会の発展に向けて車同士が自律的にネットワークを構築するVANETに関する研究が盛んに行われている.VANETでは位置情報を利用しルーティングを行うジオメトリックルーティングが多く利用されるが,ジオメトリックルーティングでは通信を確立するために一定以上の車両密度が必要であり,車両密度の低い郊外での使用は難しい.しかし,広い範囲の道路での通信を実現するためには都市部であっても郊外であっても一様に動作するシームレスなルーティングプロトコルが望まれる.本研究では,車両密度に影響を受けずにパケットを配送するため,路上に設定された無線基地局間で車両を伝送媒体としてパケットを転送する新たなネットワーク形態を提案し,そのネットワーク上でルーティングを行うメトリックベースの距離ベクトルルーティング手法を提案する.

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道路交通網上でパケット配信を実現する交通量を考慮した距離ベクトルルーティング

  1. 1. 道路交通網上でパケット配信を実現する 交通量を考慮した距離ベクトルルーティング ○阪口紘生†1 吉廣卓哉†2 柴田直樹†1 伊藤実†1 †1奈良先端科学技術⼤学院⼤学 †2 和歌山⼤学システム工学部 2013/12/9 DPSWS 2013 0
  2. 2. 研究概要 • 路上にルータとなる基地局を設置し,⾞両を伝送媒体 とするネットワークにおいて動作する,交通量を考慮 した距離ベクトルルーティング⼿法を提案する 宛先 16 宛先 16 ⾞両から パケットを受信 2013/12/9 宛先 16 ⾞両から パケットを受信 DPSWS 2013 1
  3. 3. 関連研究(1/3) • ジオメトリックルーティング⼿法 – ノードがGPSなどから自身の位置情報を取得可能 – Greedyルーティング⼿法 • 隣接ノードの位置情報を取得し,宛先ノードに最も近づ くようにパケットを転送 2013/12/9 DPSWS 2013 2
  4. 4. 関連研究(2/3) • GPCR(Greedy Perimeter Coordinator Routing) – ⾞⾞間通信で用いられるジオメトリックルーティ ング⼿法の一つ • 建物が電波の遮蔽物になる点を考慮 • 交差点にいる⾞両を優先し次ホップに選択することで道 路に沿ってパケット配送が可能 ⾞両密度が低い環境では Dに最も近い2で なく1に転送 ネットワークを構築できずパケットロスが発生 2013/12/9 DPSWS 2013 3
  5. 5. 関連研究(3/3) • Carry and forward − 近隣にパケットを転送可能なノードがなければ,転送可能なノードに遭遇す るまでノードがパケットを保持 例 Vehicle-Assisted Data Delivery (VADD) 一様に⾞両密度が低ければパケット配送は困難 宛先までのパケット到達率を保証できない 2013/12/9 DPSWS 2013 4
  6. 6. 問題点 • 多くのVANETルーティングは極端な低⾞両密 度の環境では使用できない – マルチホップ通信が可能なネットワークが構築で きない – 宛先までの到達率を保証できない ITSの実現に向けて⾞両の密度を問わずに 動作する信頼性の高い通信方式が望ましい 2013/12/9 DPSWS 2013 5
  7. 7. 先⾏研究[1] • 我々は路上に設置した無線基地局間で⾞両を伝送媒体 とし通信を⾏う新たなネットワーク形態を提案 – 主要道路の交差点を配置 – ノード間をマルチホップ通信 • 距離ベクトル型ルーティング⼿法に基づく宛先までの ⾞両数を最⼩化するルーティング⼿法を設計 [1]阪口 紘生,吉廣 卓哉,柴田直樹,“道路交通網上でパケット配送を実現する距離ベクトルルーティング,” 情報処理学会 マルチメディア・協調・分散とモバイル DICOMO シンポジウ ム, pp. 2E-3, (2013). 2013/12/9 DPSWS 2013 6
  8. 8. 前提条件 • 道路 – 一般的な幹線道路 • 直進する⾞両が多い – 主要な交差点に一定密度で無線基地局を設置 • 必ずしも全ての交差点に設置する必要はない • ⾞両-基地局間の通信 – ⾞両-基地局間は互いに可能(最低でも数kByte) – 通信範囲が数十mから数百m 例 WiFi 2013/12/9 DPSWS 2013 7
  9. 9. 諸定義 • ノード – 路上に設置する固定基地局 • 隣接 – ⾞両が他のノードを通過せず直接到可能なノード • ホップ – ノードSからノードDに到達 するまでに⾞両が通過する ノードの数 • キャリー – あるノードから高確率で⾞両が 到達可能なノードの範囲 2013/12/9 DPSWS 2013 8
  10. 10. 先⾏⼿法の概要 • 各ノードが高確率で1キャリーで到達可能なノードを発⾒ – Helloメッセージ,Statisticメッセージ,1-Carryメッセー ジ • 複数台の⾞両で到達可能な宛先ノードと,中継点となるノード, キャリー数を把握 – Multi-Carryメッセージ ノード1,5,9, ノード14,15,16 は2キャリー14,15,16 は1キャリー 中継点ノードは13 2013/12/9 DPSWS 2013 9
  11. 11. 先⾏⼿法の概要 • 各ノードが高確率で1キャリーで到達可能なノードを発⾒ – Helloメッセージ,Statisticメッセージ,1-Carryメッセー ジ • 複数台の⾞両で到達可能な宛先ノードと,中継点となるノード, キャリー数を把握 宛先16 – Multi-Carryメッセージ 中継13 宛先16 中継13 ⾞両からパ ケットを受信 2013/12/9 DPSWS 2013 宛先16 中継16 ⾞両からパ ケットを受信 交通量の多い道路 9
  12. 12. 先⾏⼿法の問題点 • 宛先までの⾞両数を最⼩とし経路を決定する ため交通量の少ない経路が選ばれる問題 • 中継毎のパケット到達率のみを保証可能 ・交通量(帯域)を基に,メトリックを設計し, メトリックベースで最適路を決定 ・宛先までのキャリー数を広告し,宛先までの 到達率を保証する⼿法の導入 2013/12/9 DPSWS 2013 10
  13. 13. Helloメッセージ • 2ホップ前ノード,1ホップ前ノード,自身の組に対して,その 経路を通過した⾞両数を集計するため送信 – ⾞両がノードに到達した時,生成ノードのアドレスを記載し, 2ホップ先のノードまで送信 – 集計結果をHelloカウントテーブルで保持 n3のHelloカウントテーブル Helloメッセージ Helloメッセージ n1 n2 2013/12/9 2ホップ前 1ホップ前 n1 n4 n5 DPSWS 2013 n2 n2 n2 台数 60 6 7 11
  14. 14. Statisticメッセージ • ある隣接ノードから来た⾞両が,次に各隣接ノードに到達する 確率を計算 – HelloカウントテーブルをStatisticメッセージとして広告 – 全隣接ノードからメッセージを受信すると通過した⾞両の台 数から次ホップノードに到達する確率が計算可能 • 計算結果をStatisticテーブルで管理 Statisticメッセージ Statisticメッセージ 5台 90台 Statisticメッセージ 5台 Statisticメッセージ 2013/12/9 DPSWS 2013 12
  15. 15. Statisticメッセージ • ある隣接ノードから来た⾞両が,次に各隣接ノードに到達する 確率を計算 – HelloカウントテーブルをStatisticメッセージとして広告 – 全隣接ノードからメッセージを受信すると通過した⾞両の台 数から次ホップノードに到達する確率が計算可能 • 計算結果をStatisticテーブルで管理 n2のStatisticテーブル 1ホップ前 2013/12/9 DPSWS 2013 90% n1 n4 5% n5 : 5% n3 n1 90% 確率 n1 5% 1ホップ先 : 5% : 12
  16. 16. 1-Carryメッセージ • 1キャリー以内に存在するノードへの到達確率を把握する – 各ノードで⾞両進⾏方向の逆向きの確率を取得し,広告する – 到達確率が一定以上のノードを1キャリーノードとして採用 • 1キャリーノード:1キャリーでかつ一定以上の確率で到達可能なノード – 1-Carryテーブルで1キャリーノードを「前ホップ」「宛先」 「到達確率」「ホップ数」「距離(メトリック)」で管理 n4から来た 前ホッ プ 宛 先 到達確率 n4 n2 n4 : 2013/12/9 90% 81% 90% n3の1-Carryテーブル ホップ数 数 距離 (メトリック) 90% 1 0.09 n1 81% 2 0.081 : : DPSWS 2013 : 13
  17. 17. 距離(メトリック) • 各経路の帯域の逆数を距離(メトリック)とする このイメージは、現在表示できません。 – インターネットのアナロジーを適用 – 距離(メトリック)の和が最⼩となる経路を採用 • n3からn1の帯域はn3からn1へ到達する⾞両数に相当 – n4からn3到達した⾞両数mn4→n3とn3からn1までの到達確率 p(n4,n3,n1)の積で表すことが可能 mn4→n3 p(n4,n3,n1) 距離(メトリック)(n3,n1) = m 2013/12/9 DPSWS 2013 1 n4 → n 3 × p ( n4 , n3 , n1 ) 14
  18. 18. Multi-Carryメッセージ • 距離ベクトルルーティング⼿法に基づき,経路表を作 成するために送信 – ⾞両複数台で到達可能な宛先ノードと,宛先ノードに到達す るための中継点ノードを把握 宛先 中継点 距離 宛先 宛先 nd 中継点 距離 n1までの距離 (メトリック) (メトリック)は 中継点 距離 0.01 (メトリック) nd n1 0.02 nd n1までの距離 (メトリック) (メトリック)は n10.05 0.06 nd 0.01 宛先 宛先 中継点 中継点 距離 距離 (メトリック) (メトリック) nd n1 n2までの距離 (メトリック)は 0.01 2013/12/9 n2 n3までの距離 (メトリック)は 0.04 : DPSWS 2013 ndn1 n3n1 n3 : n2 : : n3 0.06 0.1 0.05 0.04 0.02 : : 15
  19. 19. Multi-Carryメッセージ • 距離ベクトルルーティング⼿法に基づき,経路表を作 成するために送信 – ⾞両複数台で到達可能な宛先ノードと,宛先ノードに到達す るための中継点ノードを把握 交通量小 交通量大 距離0.1 距離 距離0.02 ならndまでの 距離は0.02 距離は0.03 2013/12/9 DPSWS 2013 15
  20. 20. パケットの配送 1.経路表から中継点ノードを検索 2.中継点ノードに到達する確率が高い1ホップ前ノードを検索 3.宛先まで一定以上の確率が得られるようパケットを複製 4.⾞両が到達した時,Helloメッセージから1ホップ前ノードを識 別し,⾞両にパケットを渡す 宛先 nd 中継点 n1に行きやすい車は はn1 n4から来る 宛先 nd 中継点 n3に行きやすい車は n7から来る はn3 2013/12/9 DPSWS 2013 16
  21. 21. パケットの複製 1.経路表から中継点ノードを検索 2.中継点ノードに到達する確率が高い1ホップ前ノードを検索 3.宛先まで一定以上の確率が得られるようパケットを複製 4.⾞両が到達した時,Helloメッセージから1ホップ前ノードを識 別し,⾞両にパケットを渡す 宛先 nd 3キャリー 5つのパケットを送れ n1には50%到達 ば96.8%届く 宛先 nd 3キャリー 宛先ndまで 宛先ndまでは 90%保証し n3には100%到達 3キャリー たい 2013/12/9 DPSWS 2013 宛先までの保証確率:Dprob 宛先までのキャリー数:C 中継点までの保証率:Cprob ( C prob ) C ≥ D prob C=3,Dprob=0.9なら Cprob≒0.965 17
  22. 22. シミュレーション評価 • 目的 – ⼩規模な道路交通網において,先⾏⼿法に⽐べ、 提案⼿法がどの程度性能を発揮するか評価 • 評価方法 – C++により,シミュレータを自作 • 前提 ָ◌& – レイヤー2(データリンク層),レイヤー1(物理 層)のシミュレーションは⾏わない • ⾞両-基地局間の通信は必ず成功すると仮定 2013/12/9 DPSWS 2013 18
  23. 23. シナリオ • ⾞両 – ⾊の道路端で1.125秒に1台 – ⽩⾊の道路端で10秒に1台 – 50km/hで⾛⾏ – 交差点では90%で直進5%で右左折 – データバッファ2MByte パケット – 1パケット512KByte – 内のノードでからランダムに 送信元と宛先を決め,一定時間毎に発生 – 発生間隔を変動 ⾞両-ノードの通信 – 最⼤往復2MByteのデータが必ず通信可能 メッセージ搭載上限数 – 1-Carry 10個 – Multi-Carry 30個 宛先までの期待到達率 Dprob • – 90% ノードキュー⻑:16MByte • • • • 2013/12/9 DPSWS 2013 19
  24. 24. 評価指標 • 評価指標 – 制御メッセージサイズ,パケット到達率, 送受信レート,平均遅延時間,パケット複製率 跰ք • 先⾏⼿法と提案⼿法を⽐較 – 先⾏⼿法 • キャリー数が最⼩となるよう経路表を作成 + 本研究で提 案した到達率保証⼿法 – 提案⼿法 • 距離(メトリック)が最⼩となるよう経路表を作成+ + 本研究で提案した到達率保証⼿法 2013/12/9 DPSWS 2013 20
  25. 25. 制御メッセージサイズ • 提案⼿法で使用する制御メッセージがどの程度通信の 負荷となるかを調査 – 先⾏⼿法:1パケットあたり約1700Byte(往復3400Byte) – 提案⼿法:1パケットあたり約2000Byte(往復4000Byte) • 提案⼿法では距離(メトリック)フィールド分だけ増加 • ⾞両に搭載する1-Carryメッセージ,Multi-Carry メッセージの数を制限することで削減可能 制御メッセージのサイズは現実的な範囲 2013/12/9 DPSWS 2013 21
  26. 26. パケット到達率 • パケット到達率 – 提案⼿法:送信レート4000kBps程度まで期待到達率を達成 – 先⾏⼿法:送信レート1000kBps程度から到達率が下落 뢐փ 2013/12/9 DPSWS 2013 22
  27. 27. 総受信レート • 総受信レート – 飽和状態で提案⼿法は先⾏⼿法の1.5倍程度性能を発揮 • ネットワーク(道路交通網)内の交通量の多い経路を効率良く 使用できる – 総受信レートが線形に伸びなくなる(ネットワークが飽和し てくる)と期待到達率を保証できなくなる ネットワークが飽和するまでは, 期待到達率Dprobを達成 2013/12/9 DPSWS 2013 23
  28. 28. 平均遅延時間 • 帯域が十分であっても100秒程度遅延 − ⾞両の移動による遅延 • 提案⼿法では,帯域を優先するためキャリー数が増⼤ − 交通量の多い選択し、キャリー数が増えても遅延は⼩さい ֨ 쨐◌ キャリー数増⼤による乗換コストを 加味しても提案⼿法のほうが遅延は⼩さい 交通量の多い経路を効率的に利用できる 2013/12/9 DPSWS 2013 24
  29. 29. パケット複製率 • 先⾏⼿法:3.2倍程度 • 提案⼿法:3.5倍程度 – 帯域を優先し,キャリー数が増⼤した結果 ֨ 쨐◌ 受信率などの上昇を考慮すると許容範囲内 ネットワークに対する負荷は⽐較的⼩さい 2013/12/9 DPSWS 2013 25
  30. 30. まとめ • 研究成果 – 道路交通網上に路上基地局を設置し,⾞両によってパケット を配送する交通量を考慮した距離ベクトルルーティング⼿法 を提案した – パケットの複製⼿法において,送信元-宛先間で到達率を保 証可能な⼿法を提案した ֨ 쨐◌ – 自作シミュレータにより提案⼿法の評価を⾏った – 先⾏⼿法であるキャリー数最⼩化⼿法に対して,有効性が高 いことを示した • 今後の課題 – 現実的な道路交通網と移動モデルを用いた検証 – 基地局から基地局までを⾞々間通信を用いてパケットを配送 • ⾞両密度が高い時,リアルタイム性の高い通信を実現 2013/12/9 DPSWS 2013 26

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