Timely Directional Data Delivery in VANET

Abstract

As interest in autonomous driving and intelligent vehicles grew intensively, the autonomous driving vehicle technique has almost reached the stage of commercialization. In the near future, people will be free from driving labors, drivers will enjoy the freedom to relax in their cars, while watching some movies or sleeping. To offer these convenient services, it is necessary to be connected to adjacent vehicles or the internet to transmit information. With this flow, the prospects of using inter-vehicle communications in the vehicular ad-hoc network (VANET) are getting more promising. The distributed usage of vehicle-to-vehicle (V2V) communication is the basis of vehicle-to-everything (V2X), since the decision making on the vehicle side is the key factor to design efficient system, and it has great potential when it is combined with other technologies related to cars. Vehicular networks can be implemented in a variety of application areas. For start, it is able to notify the driver when there are accidents or some dangerous elements on the road ahead. When it is applied in business or entertainment side, drivers are able to get information of nearby on-the-road services such as a drive-through restaurant or to get access to networked interactive entertainment. Recently some enterprises offer new ordering services in the car to prevent accidents caused by telephone use and to reduce waiting time in queues. For example, the driver can make an order to the drive-through cafe with the voice assistant technique. Meanwhile, it is clear that some information should be delivered to a certain destination in a short time, while others such as business commercial not necessarily have a strict time restriction. Moreover, meeting timely delivery within a given deadline with low network overhead is another practical design consideration to maintain the balance on a trade-off between time and efficiency. There exist many real-world situations that locally detected road information such as traffic congestion to be delivered to multiple destinations with distinct deadlines. Even this single same event may need to be treated with different priority depending on the type of multiple recipients: for example, it should be rapidly delivered to nearby vehicles or high way entrances which should react in real time, and it also has to be notified to traffic control center but it is rather not urgent issue. In this context, we propose a directional data forwarding problem to multiple destinations with distinct time limits in vehicular ad-hoc networks. We present a data forwarding algorithm designed to accomplish lightweight and timely reliable in the infrastructure-less and map-less environment. We propose an efficient data forwarding scheme with two phases; relay selection and proliferation. In a relay selection phase, the current message ferry vehicle discovers the next relay vehicle node by considering nearby vehicles’ recent mobility patterns. We also focused on the multiple destination scenario in which destinations are aligned similarly, it is able to save energy consumption by sharing relay vehicles until a certain common intermediate point. Proliferation scheme is designed to back-up the on-time data delivery by adapting the biological concept, which replicates packets to catch up with ideal speed and to ensure success on delivery. We have validated the performance of proposed schemes in real-world environment using taxi GPS trace dataset in Shanghai. Compare to other naïve algorithms, the proposed system has accomplished lightweight and timely reliable directional data delivery in multiple destinations without the additional help of infrastructure nor pre-loaded map. The results imply that the proposed system is light enough to be implemented in the real world.;자율 주행 차량에 대한 사회적 관심이 커지고 여러 연구에서 성공 사례들이 증명되면서, 이제 자율 주행 차량은 상용화 단계에 도달했다. 이에 따라 운전자의 안전과 차량 내부에서의 편의 증진을 위한 통신 수단의 필요성이 제기되었고, 차량 간의 네트워크가 가진 잠재력이 부각되었다. 차량 간의 통신은 다양한 분야에 활용될 수 있으며, 그 예로 지능형 교통 시스템에서의 지역적으로 감지된 도로 정보나 교통 밀도 정보 전달에 사용될 수 있다. 한편, 정보의 종류와 수신자의 목적에 따라 라우팅에 필요한 시간 제한이 다르게 주어질 수 있다. 예를 들어, 고속도로에서의 교통 정보는 인근 차량이나 고속도로 입구에 빠른 시간 내에 전달되어 사고나 교통 혼잡을 방지할 수 있도록 해야 하지만 지역 교통 통제 센터에는 몇 분 또는 몇 시간 단위의 여유를 두고 전달해도 무방하다. 또한 비용적인 측면에서는 네트워크의 오버헤드를 줄이는 것이 실질적으로 적용되기 위한 중요한 고려대상이다. 즉, 시간 내에 도착해야 하는 시간성과 최대한 비용을 줄여야 하는 효율성 사이에서 적절히 균형을 유지해야 한다. 본 논문에서는 차량 간의 애드혹 통신만을 이용하여 각각 다른 시간 제한이 주어진 여러 목적지에 효율적으로 정보를 전달하는 문제를 풀고자 한다. 또한 도로변에 고정되어 있는 노변 장치나 미리 수집된 지리 정보가 주어지지 않은 환경에서 차량의 최근 움직임을 기반으로 현실적으로 사용 가능한 지향성 라우팅 알고리즘을 설계하는 것을 목표로 한다. 제안하는 정보 전달 알고리즘은 두 단계로 나뉜다. 첫번째 단계는 주변의 차량 중 가장 목적지 방향으로의 속도가 빠른 차량을 찾는 단계로, 각 차량의 최근 속도를 이용하여 목적지로의 기여도가 높은 차량을 선발한다. 또한 네트워크 오버헤드를 줄이기 위해, 여러 목적지가 비슷한 방향에 위치한 경우 중계 차량을 공유하여 적은 차량으로 여러 목적지에 대한 정보 전달을 진행한다. 이때 네트워크에서의 차량의 이동성으로 인해 네트워크 토폴로지가 실시간으로 변하기 때문에 오직 하나의 중계 노드에만 의존하는 것은 도착 확률을 보증하지 못한다. 두번째 단계에서는 도착 확률을 높이기 위해 패킷을 여러 차량에 복제하는 방안을 제안한다. 이때 중요한 지점은 적절한 횟수의 패킷 복제를 수행해야 비용을 낭비하지 않으면서 성공확률을 높일 수 있다는 것이다. 이를 위해 패킷 전송의 이상적인 속도와 남은 시간동안 도달해야 하는 속도를 정의하고 가속도 개념을 적용하여 적절한 패킷 수를 정할 수 있도록 하는 방법을 제안하였다. 본 논문에서는 실제 차량의 위치 정보를 추적하여 얻은 데이터를 이용하여 차량의 움직임을 시뮬레이션하고 다른 알고리즘과 제안한 알고리즘의 패킷 전달 결과를 분석하였다. 주어진 환경에서 제안한 시스템이 비교적 적은 비용을 소모하여 적절한 수준의 안정적인 성공률을 달성한 것을 실험을 통해 입증하였다.