Ad Hoc Vehicular Network Formation Mehrnaz Tavan, Prof. Roy D. - PowerPoint PPT Presentation

Ad Hoc Vehicular Network Formation Mehrnaz Tavan, Prof. Roy D. Yates, Prof. Dipankar Raychaudhuri Winlab, Rutgers University

Motivation: Vehicular Safety ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Traffic congestion warning In front accident and roll over Sudden stop warning and possible reroute options warning Intersection collision warning Cooperative collision and Approaching emergency lane change warning vehicles

Motivation: Network Access/Applications ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • ¡ ¡ ¡ ¡ Access to front view of Reduce the load of Point of interest notification neighboring cars in cellular link using WiFi And map updates self-driving cars Direct Vehicle-to-Vehicle Improved online Improved Internet transfer of messages streaming connection

Why Ad Hoc Networks ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Internet access for nodes in weak coverage zones • Reduction in the number of deployed access points • Cellular offloading o Exploits lower cost WiFi connectivity o Reduces average transmit energy/bit • Local networking via multi-hop forwarding ¡

Advantages of VANETs vs. General MANETs ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Potential support from in-vehicle infrastructure o WiFi-enabled cars o Abundant energy supply o Passengers smartphones • More predictable and constrained mobility • Nearby nodes typically follow the same path • Reliable GPS location information • Access to DSRC band

VANET Challenges ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Highly dynamic network topology – Short-lived links – Intermittent connectivity • Lack of central coordination • Uncertainty in network load • Variable node density and data traffic demands • Traditional end-to-end TCP/IP protocols perform poorly [3] [3] S. Farrell, V. Cahill, D. Geraghty, I. Humphreys, and P. McDonald, “When TCP Breaks: Delay- and Disruption- Tolerant Networking,” IEEE Internet Computing , vol. 10, no. 4, pp. 72–78, 2006.

MobilityFirst Overview ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Named object architecture • Each node is mobile • GUID (Globally unique identifier) assigned to – Users – Interfaces – Services – Context – Content • GNRS (global name resolution service) – Maps each GUID to a network address ¡ ¡ ¡ ¡

Features of MF for VANET ¡ ¡ ¡ ¡ • Separation between names (GUIDs) and location-dependent network addresses – Enables GUID-based packet routing • (in addition to traditional address-based routing) – Seamless support for end-host multi-homing • Delay & disconnection tolerant store-and- forward routing (GSTAR)

3-Stage VANET Discovery Protocol ¡ ¡ ¡ ¡ 1. Hello Message Exchanges • To identify neighbors 2. Link Stability Assessments • To exclude short-lived unstable links from clusters 3. Periodic State Vector Exchanges • To make clustering decisions • To enable shortest path routing within clusters • To update the GNRS

Network Discovery Design Goals ¡ ¡ ¡ ¡ • Goals: – Better Internet connectivity • Increased cellular offloading – Increased peer to peer data rates • Approach: – Improve the stability of vehicular clusters • Reduced re-clustering rate • Reduced network discovery overhead

Mobility Model: Gauss-Markov ¡ ¡ ¡ ¡ No frequent sudden stop and sharp turn Correlation between speed samples close in time Adapt to different levels of randomness v j + 1 = ζ v j + (1 − ζ ) v α + σ 1 − ζ 2 Z j New speed Current speed Target speed Speed noise ¡ ¡ N (0,1) ¡ ζ : Correlation between speed samples v α : Target speed may vary from epoch-to-epoch

An Example of Gauss-Markov Velocity Sample Path ¡ ¡ ¡ ¡ v j + 1 = ζ v j + (1 − ζ ) v α + σ 1 − ζ 2 Z j Target speed 35 Current speed 30 Speed(m/s) 25 20 15 200 250 300 350 400 450 time(sec) ζ = 0.8

Discovery Protocol: 1) Hello Exchange ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Periodic transmission of HELLO messages Node ID Cluster ID ζ Target Velocity Current Velocity Parameters of the mobility model The same as Car ID for single clusters B ¡ A ¡

Discovery Protocol: 2) Link Stability Assessment ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Determine the stability of the link • Based on HELLO message mobility parameters A ¡ B ¡

Link Stability in VANETs ¡ ¡ ¡ ¡ • The A-B link is stable if – A is in the coverage area of B and vice versa – A & B have similar mobility parameters • Similar speeds over time • Traveling in the same direction on same roads A ¡ A ¡ B ¡

Prior Link Stability Metrics • MOBIC [1]: checking relative received signal strength ¡ ¡ ¡ ¡ Node ID ¡ • Associativity Based Routing (ABR) [3] ¡ threshold: Estimation of the link lifetime assuming constant speed Node ID Location Velocity [1] Basu, P., Khan, N., Little, T.D.C., "A mobility based metric for clustering in mobile ad hoc networks," International Conference on Distributed Computing Systems Workshop , pp.413,418, Apr 2001 [2] C.-K. Toh. Associativity Based Routing For Ad Hoc Mobile Networks. Wireless Personal Communications Journal, Spe- cial Issue on Mobile Networking and Computing Systems , 4(2):103–139, March 1997

Link Stability: Issues with existing metrics ¡ ¡ ¡ ¡ • Constant speed during contact period • Single-mode link disconnection model – A car initially behind overtakes a car in front A ¡ A ¡ A ¡ A ¡ Meeting instance

Bias in Meeting Speed Difference ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Scenario I: two cars at a random time A ¡ B ¡ v A v B • Scenario II: two cars at the instant they meet B ¡ A ¡ ˆ v B ˆ v A

Bias in Meeting Speed Difference ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Scenario I: two cars at a random time 0.06 0.05 v A v B 0.04 f " V ( " V ) 0.03 0.02 0.01 0 -30 -20 -10 0 10 20 30 • Scenario II: two cars at the meeting instant " V 0.06 ˆ v B 0.05 ˆ v A 0.04 V ) V ( " ^ 0.03 f " ^ 0.02 When ¡cars ¡meet, ¡speed ¡differences ¡ 0.01 tends ¡to ¡be ¡large ¡ 0 -30 -20 -10 0 10 20 30 " ^ V

Proposed Link stability metric ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • To consider all modes of link disconnection – A probabilistic approach • Minimum target link lifetime: τ • Mobility parameters: , , ζ Δ v j Δ v α • A link is accepted if P[Link lifetime ≥ τ | Mobility Parameters] ≥ β

Discovery Protocol: 3) State Vector (SV) Exchange ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • If a link is assessed to be stable • Nodes exchange State Vectors to decide on clustering • Shortest path to access point (AP) • ETT (expected transmission time) path metric • ETT depends on bandwidth & packet losses AP1 ¡ C1 ¡ E ¡ F ¡ D ¡ B ¡ A ¡

State Vector Design ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Member ¡ID ¡ Seq. ¡Num. ¡ Member ¡ID ¡ Link ¡List ¡ A ¡ 1 ¡ B ¡ B-­‑D ¡ D ¡ D-­‑E ¡ Cluster ¡ID ¡ E ¡ E-­‑F ¡ A ¡ A ¡to ¡AP1 ¡ETT ¡ F ¡ F-­‑AP1 ¡ AP1 ¡ Cluster ¡ID ¡ ∞ E-­‑AP1 ¡ C1 ¡ Seq. ¡Num. ¡ C1 ¡ B ¡to ¡AP1 ¡ETT ¡ 1 ¡ ¡ s 1.5 ¡ms ¡ m ¡ 7 . 0 E ¡ F ¡ 0.2 ¡ms ¡ D ¡ B ¡ A ¡

GNRS Update ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Member ¡GUID ¡ Link ¡List ¡ A ¡ B-­‑D ¡ B ¡ D-­‑E ¡ GNRS Server D ¡ E-­‑F ¡ E ¡ F-­‑AP1 ¡ F ¡ E-­‑AP1 ¡ A-­‑B ¡ Cluster ¡GUID ¡ GNRS ¡update ¡ C1 ¡ Seq. ¡Num. ¡ Member ¡ GUID ¡ B ¡to ¡AP1 ¡ETT ¡ 1 ¡ GUID ¡ mapping ¡ 0.8 ¡ms ¡ C1 ¡ AP1 ¡ AP1 ¡ B ¡ C1 ¡ D ¡ C1 ¡ E ¡ C1 ¡ E ¡ F ¡ C1 ¡ F ¡ A ¡ C1 ¡

NS3 Simulation Setup ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

NS3 Simulation Setup ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 2 ¡km ¡ 1047 ¡m ¡ Mobility ¡Model ¡ Gauss-­‑Markov ¡ Number ¡of ¡access ¡ 12 ¡ points ¡ Number ¡of ¡vehicles ¡ 200 ¡

Internet Connection Results ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Clustering offers 2-3x increase in Internet connectivity 50 No clustering With Clustering 40 Number of nodes 30 20 10 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Internet connection percentage

Distribution of Cluster Lifetime ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Cluster lifetime(s)

Node Residence Time ¡ ¡ ¡ ¡ 1200 1000 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 The average node residence time in each nonsingleton cluster

Cluster size ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ # 10 4 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 2 5 10 15 20 25 30 Number of cluster members in each time instant

Future Work ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ • Optimization of 3-stage network discovery – Link stability assessment – State vector design • Multi-homed Clustering • Evaluate application-layer ad hoc network performance

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