Tài liệu Giao thức định tuyến theo mô hình lưu lượng xe cộ sử dụng trong mạng vanet

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... i LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................. 1 DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................. iv DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................ v CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET ......................................................... 2 1.1. MẠNG VANET ................................................................................................... 2 1.1.1. Sơ lược về mạng không dây ........................................................................... 2 1.1.2. Đặc điểm của mạng VANET .......................................................................... 3 1.1.3. Các thách thức đối với mạng VANET............................................................ 6 1.1.4. Cấu trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET. ....................... 8 1.2. MỘT SỐ THÁCH THỨC TRONG MẠNG VANET ........................................ 10 1.2.1. Những thách thức về định tuyến ................................................................... 10 1.2.2. Những thách thức về chuyển gói .................................................................. 11 1.3. NHỮNG TIÊU CHÍ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VANET ........ 12 1.3.1. Phương diện truyền dẫn ................................................................................ 12 1.3.2. Khả năng định tuyến ..................................................................................... 12 1.3.3. Chất lượng dịch vụ........................................................................................ 13 1.3.4. Mức độ bảo mật ............................................................................................ 13 1.4. KẾT LUẬN ......................................................................................................... 14 CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET ............................................................................... 15 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 15 2.2.1. Định tuyến trong mạng MANET .................................................................. 15 2.2.2. Định tuyến trong mạng VANET................................................................... 16 2.2. ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN TÔ PÔ .................................................................. 17 2.2.1. Định tuyến chủ động ..................................................................................... 18 2.2.2. Giao thức định tuyến thụ động ..................................................................... 19 2.2.3. Định tuyến lai ghép ....................................................................................... 21 2.3. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG VANET ................................................................................. 21 Bùi Tiến Đức – D13VT8 ii Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.3.1. Kiến trúc đường phố ..................................................................................... 22 2.3.2. Cơ chế điều khiển giao thông ....................................................................... 22 2.3.3. Tốc độ trung bình .......................................................................................... 23 2.3.4. Mật độ nút ..................................................................................................... 23 2.4. MÔ HÌNH HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA MẬT ĐỘ LƯU LƯỢNG GIAO THÔNG ...................................................................................................................... 24 2.5. KẾT LUẬN ......................................................................................................... 30 CHƯƠNG III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ SỬ DỤNG TRONG MẠNG VANET .................................................................... 31 3.1. GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ RBVT31 3.1.1. Động cơ thúc đẩy .......................................................................................... 31 3.3.2. Giao thức định tuyến RBVT ......................................................................... 34 3.3.3. RBVT-R: Giao thức định tuyến RPVT thụ động ......................................... 35 3.3.4. RBVT-P: Giao thức định tuyến RBVT chủ động......................................... 40 3.4. THAM KHẢO ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC RBVT ....................... 41 3.4.1. Phương pháp đánh giá .................................................................................. 41 3.4.2. Tham số đánh giá .......................................................................................... 42 3.4.3. Thiếp lập mô phỏng ...................................................................................... 43 3.4.4. Kết quả mô phỏng ......................................................................................... 45 3.5. KẾT LUẬN ......................................................................................................... 52 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 54 Bùi Tiến Đức – D13VT8 iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hai mô hình mạng không dây mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc ....................... 3 Hình 1.2: Mô hình mạng VANET ................................................................................... 4 Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống mạng VANET .................................................................... 8 Hình 1.4 : RSU mở rộng khoảng giao tiếp .................................................................... 10 Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin ...................................................................... 10 Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến dựa trên tô pô ............................................... 18 Hình 2.2: Kịch bản giao lộ có đèn giao thông ............................................................... 24 Hình 2.3: Mật độ lưu lượng được xác định là số xe trong khoảng 40m trên đoạn đường 3 làn tới một giao lộ (chu kỳ = 100 giây). ..................................................................... 26 Hình 3.1: Các vấn đề với phương pháp định tuyến truyền thống trong mạng VANET 33 Hình 3.2: Giải pháp được sử dụng trong giao thức RBVT ........................................... 34 Hình 3.3: Quá trình hình thành tuyến đường trong RBVT-R ....................................... 37 Hình 3.4: Bản đồ thành phố được sử dụng trong kịch bản mô phỏng .......................... 43 Hình 3.5: Tỷ lệ chuyển gói thành công cho các giao thức RBVT-R, RBVT-P, AODV, OLSR, GPSR và GSR trong mạng có mật độ nút khác nhau ........................................ 48 Hình 3.6: Độ trễ trung bình của các giao thức RBVT-R, RBVT-P, AODV, OLSR, GPSR và GSR trong mạng có 15 luồng và mật độ các nút khác nhau .......................... 50 Hình 3.7: Độ dài đường dẫn và tỷ lệ chuyển gói với số lượng luồng CBR thay đổi .... 52 Bùi Tiến Đức – D13VT8 iv Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục thuật ngữ viết tắt DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt VANET Vehicle Ad hoc Network Mạng xe cộ tùy biến không dây V2V Vehicle to Vehicle Communication Kết nối giữa xe với xe V2I Vehicle to Road Intrastructure Kết nối giữa xe với cơ sở hạ tầng M2M Machine-to-Machiner Communication Kết nối giữa các cơ sở hạ tầng MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động AU Application Unit Khối ứng dụng OLSR Optimized Link State Routing OBU On Board Unit Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu Khối trên đường RSU Road Side Unit Khối phía rìa đường HS Hot Spot Điểm nóng QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ AODV Ad hoc on-demand Distance Vector Giao thức định tuyến vectơ khoảng cách theo yêu cầu RREQ Route Request Yêu cầu tuyến RERR Route Error Tuyến bị lỗi RREP Route Response Trả lời tuyến WAVE Wireless Access in the Vehicular Environment Bùi Tiến Đức – D13VT8 Truy cập không dây trong môi trường xe cộ v Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay với xu thế phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, điện tử viễn thông kết hợp với sự đa dạng phong phú về phương tiện kỹ thuật đã tạo nên những hình thái phát triển mới nhằm phục vụ đời sống con người. Mạng di động tùy biến VANET hay còn gọi là mạng xe cộ bất định VANET cũng là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm đưa lại hiệu quả, những điểm nhấn mới trong bước phát triển của xe cộ. Trong mạng xe cộ bất định VANET, mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi là một nút mạng. Các nút mạng này đều có khả năng di chuyển và trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và mạng VANET nói riêng. Chính vì thế khi mật độ nút thay đổi sẽ dẫn đến những thay đổi ảnh hưởng trực tiếp lên giao thức định tuyến trong mạng VANET ví dụ như: Vấn đề băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị sẽ bị giảm đi,... Do đó trên thế giới nói chung cũng như tại Việt Nam nói riêng, vài năm trở lại đây đã có một số bài báo, công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng mạng VANET vào thực tế, cũng như các giao thức được sử dụng trong mạng này. Ngoài các nghiên cứu để đảm bảo sự ổn định của mạng lưới, các ảnh hưởng của mật độ nút mạng lên giao thức định tuyến trong VANET cũng được đề cập đến rất nhiều. Đề tài: “Giao thức định tuyến theo mô hình lưu lượng xe cộ sử dụng trong mạng VANET” cung cấp một cái nhìn tổng quan về cấu trúc, hoạt động của mạng VANET, đi sâu vào giao thức định tuyến dựa theo mô hình lưu lượng xe cộ (RBVT) trong VANET để giải quyết các vấn đề về mật độ lưu lượng xe cộ. Đề tài gồm có 3 phần: • CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET • CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET • CHƯƠNG III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ SỬ DỤNG TRONG MẠNG VANET Bùi Tiến Đức – D13VT8 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 1.1. MẠNG VANET 1.1.1. Sơ lược về mạng không dây Mạng máy tính từ lâu đã trở thành một thành phần không thể thiếu đối với nhiều lĩnh vực đời sống xã hội, từ các hệ thống mạng cục bộ dùng để chia sẻ tài nguyên trong đơn vị đến hệ thống mạng toàn cầu như Internet. Các hệ thống mạng hữu tuyến và vô tuyến đang ngày càng phát triển và phát huy vai trò của mình. Mạng không dây là mạng không dùng dây cáp cho các kết nối mà sử dụng sóng radio trong không gian để kết nối các máy tính với nhau. Mặc dù mạng không dây đã xuất hiện từ nhiều thập niên nhưng cho đến những năm gần đây, với sự bùng nổ của các thiết bị chuyển động thì nhu cầu nghiên cứu và phát triển các hệ thống mạng không dây ngày càng trở nên cấp thiết. Nhiều công nghệ phần cứng, chuẩn vô tuyến và các giao thức lần lượt ra đời và đang được tiếp tục nghiên cứu, phát triển. Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị chuyển động nên không bị ràng buộc cố định về địa lý như trong mạng hữu tuyến. Ngoài ra ta còn có thể dễ dàng bổ sung hay thay thế các thiết bị tham gia mạng mà không cần phải cấu hình toàn bộ tô pô của mạng. Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của mạng không dây là tốc độ truyền chưa cao so với mạng hữu tuyến. Bên cạnh đó, khả năng bị nhiễu và mất gói tin cũng là vấn đề đáng quan tâm. Về cơ bản, mạng không dây có thể chia làm hai loại chính: thứ nhất là mạng hạ tầng có các cổng kết nối hữu tuyến và cố định thường được gọi là các điểm truy cập. Các thiết bị chuyển động trong mạng kết nối và liên lạc với điểm truy cập gần nhất nằm trong bán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạng Ad-hoc, là một tập hợp các nút mạng chuyển động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào. Bùi Tiến Đức – D13VT8 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet Hình 1.1: Hai mô hình mạng không dây mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc 1.1.2. Đặc điểm của mạng VANET Mạng VANET - Vehicular Ad Hoc Network là mạng xe cộ tùy biến không dây, một phần đặc biệt của mạng tùy biến không dây. VANET cung cấp trao đổi không dây giữa xe với xe và xe với thiết bị lề đường. Thông tin liên lạc giữa các xe được sử dụng cho sự an toàn, thoải mái và và giải trí tốt để cung cấp cho hành khách một hành trình thoải mái. Mạng VANET sử dụng các xe di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng chuyển động. VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300 mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng. Do các xe có thể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia, kết nối với các phương tiện khác trên một mạng Internet chuyển động được tạo nên. Trong thực tế, hệ thống đầu tiên được tích hợp Bùi Tiến Đức – D13VT8 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự. Hình 1.2: Mô hình mạng VANET Xe có thể giao tiếp trực tiếp với các loại xe khác để hình thành hệ thống truyền thông giữa xe với xe (V2V) hoặc giao tiếp với thiết bị cố định bên cạnh đường, gọi tắt là đơn vị bên đường (RSU) tạo thành hệ thống thông tin liên lạc giữa xe với cơ sở hạ tầng (V2I). Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,… Các xe sẽ liên lạc với nhau (Car-to-Car Communication hay M2M (Machine-to-Machiner Comnunication) để chia sẻ thông tin lẫn nhau. Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng Ad-hoc MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và sử dụng đường truyền vô tuyến. Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở Bùi Tiến Đức – D13VT8 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet chỗ: các nút mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau. VANET có những đặc tính riêng của mình khi so sánh với các loại MANETs, những đặc tính riêng của VANET bao gồm: ➢ Khả năng dự đoán chuyển động: VANET khác với các loại mạng tùy biến di động. Trong đó, các nút di chuyển một cách ngẫu nhiên trong giới hạn bởi cấu trúc, bố trí đường bộ và yêu cầu phải tuân theo vạch dấu hiệu và đèn giao thông và để tương ứng với xe khác. Dẫn đến hướng chuyển động nằm trong khả năng thực hiện được. ➢ Khả năng tính toán cao: Bởi vì các nút trong VANET là xe, chúng được trang bị đủ số lượng cảm biến và các tài nguyên tính toán như: bộ vi xử lý, dung lượng bộ nhớ lớn, công nghệ tiên tiến và ăng-ten hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Những tài nguyên này tăng khả năng tính toán của các nút, giúp đạt được truyền thông không dây đáng tin cậy và có được thông tin chính xác liên quan đến vị trí hiện tại, tốc độ và hướng của phương tiện. ➢ Cung cấp lái xe an toàn, cải thiện sự tiện nghi và nâng cao hiệu quả giao thông: VANET cung cấp thông tin liên lạc trực tiếp giữa các phương tiện di chuyển, do đó cho phép tập hợp các ứng dụng, yêu cầu liên lạc trực tiếp giữa các nút được áp dụng qua mạng. Ứng dụng này có thể cung cấp cho lái xe những chỉ dẫn với thông điệp cảnh báo về tai nạn, hoặc về sự cố đột ngột. Hơn nữa, có thể bổ sung các ứng dụng được áp dụng thông qua kiểu mạng này để cải thiện sự thoải mái của hành khách và hiệu quả giao thông bằng cách phổ biến thông tin về thời tiết, lưu lượng giao thông và các điểm thông tin quan tâm (trạm xăng dầu, trung tâm mua sắm và thức ăn nhanh). ➢ Không hạn chế năng lượng: Năng lượng trong VANET không phải là một thách thức quan trọng như trong MANETs, vì xe có khả năng cung cấp điện liên tục cho tuổi thọ pin dài. ➢ Mật độ mạng khác biệt: Mật độ mạng trong VANET khác nhau tùy thuộc vào mật độ giao thông, có thể rất cao trong trường hợp có một ách tắc giao thông, hoặc rất thấp trong trường hợp giao thông ngoại thành, nông thôn. Bùi Tiến Đức – D13VT8 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet ➢ Mạng quy mô lớn: Quy mô mạng lưới có thể là lớn ở các khu vực đô thị đông đúc như trung tâm thành phố, đường cao tốc và ở lối vào của các thành phố lớn. ➢ Thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng: Tốc độ di chuyển là cao, đặc biệt là đường cao tốc dẫn đến những thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng. Hơn nữa, hành vi lái xe bị ảnh hưởng bởi các dữ liệu nhận được từ mạng, gây ra những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng. Thời gian sử dụng liên kết giữa các xe bị ảnh hưởng bởi đặc điểm của thông tin vô tuyến và sự chuyển động của phương tiện. Thời gian sử dụng liên kết giữa các phương tiện di chuyển theo hướng ngược nhau là rất ngắn so với trường hợp các phương tiện di chuyển theo cùng một hướng. Những thay đổi nhanh chóng trong kết nối gây ra đường kính hiệu quả của mạng là nhỏ, trong khi nhiều liên kết bị ngắt kết nối trước khi chúng có thể được sử dụng. 1.1.3. Các thách thức đối với mạng VANET Một số vấn đề đã phát sinh khi cố gắng cung cấp một giải pháp cải tiến khả năng điều khiển của chủ phương tiện, với mục tiêu giảm trường hợp tử vong do tai nạn giao thông. Để thực hiện các yêu cầu đó, việc triển khai VANET thực sự cần thiết. Nhiều yếu tố có tác động lớn vào việc đạt được mục tiêu đó cần phải xem xét, tiêu biểu như các ứng dụng an toàn và các ứng dụng không an toàn. Những yếu tố đó là rất quan trọng để xác định những thách thức trong mạng VANET. Những thách thức đó như sau: Tín hiệu yếu dần: Vật cản trở thành trở ngại lớn trong việc giao tiếp giữa hai xe. Đó là một trong những thách thức ảnh hưởng đến hiệu quả của VANET. Những vật cản này có thể là các xe khác hoặc các tòa nhà phân bố dọc theo những con đường, đặc biệt là ở các thành phố. Tác động của chúng là ngăn chặn các tín hiệu từ nguồn tới đích hoặc làm yếu chúng. Giới hạn băng thông: Một vấn đề quan trọng trong VANET là không có một điều phối viên trung tâm điều khiển các thông tin liên lạc giữa các nút có trách nhiệm quản lý các hoạt động tranh chấp băng thông. Vì vậy nó cần phải sử dụng băng thông sẵn có một cách hiệu quả. Xác suất khá cao việc tắc nghẽn kênh có thể xảy ra do phạm vi giới hạn của tần số băng thông (10 - 20 MHz) cho các ứng dụng VANET, đặc biệt Bùi Tiến Đức – D13VT8 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet là trong môi trường mật độ cao. Việc sử dụng hợp lý băng thông có tác động làm giảm thời gian trễ để quảng bá thông báo. Nếu một chiếc xe cần gửi một tin nhắn mà không tìm thấy cơ hội để truyền, nó phải chờ đợi một thời gian để có thể truyền, gây ra ảnh hưởng là tăng độ trễ, đặc biệt ở khu vực đô thị với sự gia tăng của nhiều ứng dụng VANET. Kết nối: Do tính chuyển động cao và thay đổi nhanh chóng của cấu trúc liên kết, dẫn đến việc thường xuyên phân mảnh của mạng lưới. Thời gian tồn tại của các liên kết cần kéo dài càng lâu càng tốt. Việc này có thể được thực hiện bằng cách tăng công suất truyền nhưng dẫn đến hao phí. Theo đó, kết nối được coi là một vấn đề quan trọng trong VANET, mặc dù nhiều nghiên cứu trong MANET đã tập trung vào giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên, nó vẫn chiếm một phần lớn trong các nỗ lực tập trung hướng tới sự phát triển VANET. Vùng hiệu quả nhỏ: Do đường kính hiệu quả của một mạng VANET là nhỏ, dẫn đến kết nối yếu trong thông tin liên lạc giữa các nút. Do đó, việc duy trì hoàn chỉnh cấu trúc liên kết toàn bộ mạng là không thể thực hiện cho một nút. An ninh và sự riêng tư: Thiết lập sự cân bằng hợp lý giữa an ninh và sự riêng tư là một trong những thách thức chính trong VANET. Việc nhận được thông tin đáng tin cậy từ một nguồn là quan trọng đối với một nút. Tuy nhiên, thông tin đáng tin cậy này có thể vi phạm các nhu cầu riêng tư của nguồn đó. Giao thức định tuyến: Do khả năng chuyển động cao của các Nút và cấu trúc liên kết nhanh chóng thay đổi, nên việc thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả mà có thể cung cấp một gói tin trong một thời gian tối thiểu được coi là một thách thức quan trọng trong VANET. Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào thiết kế một giao thức định tuyến thích hợp cho môi trường có mật độ xe cao với khoảng cách giữa chúng là rất gần. Thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả có tác động cải thiện nhiều yếu tố, yêu cầu đầu tiên là tăng cường độ tin cậy của hệ thống bằng cách tận dụng tỷ lệ chuyển gói, thứ hai là giảm mức độ can thiệp gây ra bởi các tòa nhà cao trong môi trường thành phố, yếu tố thứ ba là yêu cầu khả năng mở rộng tốt để tránh xung đột và yếu tố nữa là cung cấp gói tin trong thời gian ngắn nhất có thể, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp, yếu tố này được coi là một yếu tố rất quan trọng. Bùi Tiến Đức – D13VT8 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet 1.1.4. Cấu trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET. Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống mạng VANET Kiến trúc một hệ thống mạng VANET bao gồm các Domain và nhiều thành phần riêng rẽ như hình 1.3. Hình 1.3 cho thấy 3 Domain (gồm trong xe, Adhoc, cơ sở hạ tầng) và các thành phần riêng rẽ (đơn vị ứng dụng, đơn vị trên xe và đơn vị bên đường). ➢ Trong xe: Bao gồm một OBU và nhiều AU bên trong một chiếc xe. AU thực hiện một tập hợp các ứng dụng sử dụng khả năng giao tiếp của OBU. Một OBU được trang bị một thiết bị truyền thông (tầm ngắn) cho an toàn, có khả năng lựa chọn các thiết bị liên lạc (giao tiếp an toàn và không an toàn). Sự khác biệt giữa AU và OBU là logic, chúng cũng có thể trong cùng một đơn vị vật lý. ➢ Adhoc: Miền Adhoc bao gồm các loại xe được trang bị OBU và trên đường có các RSU để hình thành mạng VANET. OBU hình thành một mạng lưới cho phép giao tiếp giữa các Nút. Nếu tồn tại kết nối không dây OBU trực tiếp giao tiếp, sử dụng đa bước nhảy để chuyển tiếp dữ liệu. ➢ Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng bao gồm RSU và các điểm nóng không dây (HT), các xe có thể truy cập cho các ứng dụng an toàn và không an toàn. RSU truy cập Internet thường được thiết lập bởi các quản trị viên và các cơ quan khác. Hai loại truy nhập cơ sở hạ tầng, RSU và HT, tương ứng với các loại ứng dụng Bùi Tiến Đức – D13VT8 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet khác nhau. Không phải RSU, cũng không phải HT truy cập Internet, mà OBU có thể giao tiếp với mạng chuyển động (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) được tích hợp ở OBU, đặc biệt là các ứng dụng an toàn. On – Board Unit (OBU) OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I. Nó cũng cung cấp dịch vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng Adhoc. Một OBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên công nghệ 802.11p. Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên quan trong mạng Adhoc. Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền không an toàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n. Các chức năng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không dây, định tuyến dựa vào vị trí địa lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an ninh quan trọng… Road – Side Unit (RSU) RSU là một thiết bị vật lý có các vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí chuyên dụng như trạm xăng, bãi đỗ xe, nhà hàng. Một RSU được trang bị ít nhất một thiết bị mạng giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên IEEE 802.11p. Một RSU cũng có thể được trang bị các thiết bị mạng khác để cho phép liên lạc với một mạng lưới cơ sở hạ tầng. Tổng quan về RSU như sau: o Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng Adhoc có nghĩa là phân phối lại thông tin để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn. o Chạy các ứng dụng an toàn, chẳng hạn như cảnh báo cho V2I (cảnh báo cầu thấp, công trường thi công,…) và hoạt động như nguồn và nhận. o Cung cấp kết nối Internet cho OBU. Bùi Tiến Đức – D13VT8 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet Hình 1.4 : RSU mở rộng khoảng giao tiếp Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin 1.2. MỘT SỐ THÁCH THỨC TRONG MẠNG VANET 1.2.1. Những thách thức về định tuyến Những phân tích về các giao thức định tuyến truyền thống cho mạng MANET cho thấy rằng hiệu suất của chúng là kém khi sử dụng trong mạng VANET. Vấn đề chính với các giao thức này trong môi trường mạng VANET là sự không ổn định của tuyến đường dẫn đến việc mất gói tin, tăng chi phí từ việc cập nhật tuyến đường, tỷ lệ chuyển gói thành công thấp và độ trễ truyền cao. Cách tiếp cận định tuyến được thay thế bởi các bổ sung đặc trưng nhất là giao thức định tuyến theo địa lý (ví dụ: giao thức GPSR sẽ thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu từ việc nhận biết các nút; giao thức sẽ không thành lập tuyến đường đi nhưng sẽ sử dụng vị trí của đích và vị trí của các nút lân cận để chuyển tiếp dữ liệu. Bất kỳ nút nào đảm bảo tiến độ về đích thì có thể được sử dụng cho chuyển tiếp. Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng nguy cơ mất gói tại các ngõ cụt vì không có sự xem xét đến kiến trúc đường phố. Câu Bùi Tiến Đức – D13VT8 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet hỏi đặt ra là liệu việc tích hợp các tính năng của VANET như: Tô pô, lưu lượng giao thông trong thời gian thực, sự hiện diện của các tòa nhà, v.v trong việc thiết kế giao thức định tuyến sẽ đạt được hiệu suất tốt hơn hay không?. Và nếu có, cách tốt nhất để tích hợp chúng là gì? 1.2.2. Những thách thức về chuyển gói Các đặc tính của mạng VANET cũng ảnh hưởng đến việc chuyển gói thành công. Ba thách thức chuyển gói chính đã được xác định là: Việc lựa chọn bước nhảy tiếp theo, quy tắc xếp hàng đợi và khoảng thời gian truyền. Các giao thức định tuyến như DSR hoặc GPSR sẽ duy trì danh sách các nút láng giềng để sử dụng xác định bước nhảy tiếp theo. Nếu danh sách các nút không chính xác, bước nhảy tốt nhất có thể bị bỏ qua, hoặc thậm chí tệ hơn, một nút xe đã ra khỏi phạm vi truyền tải có thể được chọn. Việc duy trì danh sách cập nhật đòi hỏi thường xuyên phải quảng bá bản tin "Hello". Tuy nhiên, việc quảng bá quá nhiều sẽ dẫn đến một tổng chi phí cho việc truyền tải lớn. Do đó, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để sử dụng các vị trí nút chính xác trong việc lựa chọn bước nhảy tiếp theo mà không phải mất quá nhiều chi phí. Mạng xe cộ tùy biến không dây thường gặp tắc nghẽn nhanh hơn những mạng có dây được thiết kế tốt, dẫn đến việc chậm trễ từ đầu đến đầu cuối cao và sự không ổn định ngay cả đối với lưu lượng truy cập vừa phải. Điều này tác động đặc biệt đến độ chính xác về độ trễ về: Lưu lượng giao thông hoặc kiểm soát tai nạn. Việc lựa chọn quy tắc xếp hàng đợi đã ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dữ liệu trong mạng IP có dây, trong đó TCP được chứng minh là hoạt động tốt hơn khi tắc nghẽn vì khi đó các bộ định tuyến sử dụng thuật toán FIFO với Frontdrop thay vì FIFO với Taildrop hoặc RED. Câu hỏi sau đó là liệu các mạng ad hoc có thể đạt được độ trễ đầu cuối tốt hơn và ổn định hơn với quy xếp hàng đợi khác nhau hay không? Thách thức cuối cùng về chuyển gói được đề cập đến là việc khai thác thông tin về khoảng thời gian định tuyến tại các tuyến đường để cải thiện hiệu suất của giao thức RBVT. Thông thường, một nút trong mạng xe cộ tùy biến không dây sẽ cố gắng thiết lập một tuyến đường để truyền đến đích khi mà đích đến không tới được. Các lần khác, tuyến đường được thiết lập chỉ bị phá vỡ một vài giây sau đó do việc chuyển động của các nút. Sau đó, các câu hỏi là: Thông tin giao thông xe cộ có thể được sử Bùi Tiến Đức – D13VT8 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet dụng để ước tính chính xác độ dài của khoảng thời gian kết nối/ngắt kết nối giữa các nút trong VANET? Các ước tính này có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc lựa chọn tuyến và chuyển dữ liệu? 1.3. NHỮNG TIÊU CHÍ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VANET VANET là một loại mạng Ad-hoc rất riêng biệt với rất nhiều các thách thức nên các yêu cầu về thiết kế các ứng dụng VANET bao hàm cả hệ thống truyền thông là vấn đề rất phức tạp. Khi phân tích những yêu cầu ứng dụng của mạng VANET, ta thấy rằng tùy thuộc vào loại đường, mật độ xe cộ, tốc độ của các phương tiện nên các yêu cầu truyền thông sẽ khác nhau. Lưu lượng truyền thông trong thành phố thì dày hơn so với trên quốc lộ và mật độ xe cộ sẽ khác nhau khi so với quốc lộ, ở thành phố hay các con đường vùng nông thôn. Vì vậy ta xem xét đặc điểm của VANET theo bốn khía cạnh kỹ thuật chính: Sự truyền dẫn, khả năng định tuyến, chất lượng dịch vụ và mức độ an ninh để sử dụng giao thức định tuyến phù hợp. 1.3.1. Phương diện truyền dẫn Tiêu chuẩn truyền thông cho truyền thông giữa xe với xe và giữa xe với hạ tầng cơ sở là DSRC (Dedicated Short Range Communication: Truyền thông phạm vi ngắn chuyên dụng), hỗ trợ Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) – Truy cập không dây trong môi trường xe cộ. WAVE cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị của xe trong môi trường truyền thay đổi liên tục, các nút có thể đạt tốc độ 200km/h và khoảng cách giữa chúng từ 5 đến 500m. Dải dự trữ của phổ vô tuyến điện được chia thành 7 kênh rộng 10MHz. Kênh Ch178 đã được dành cho sự quản lý giao thức. Kênh Ch172 và Ch184 được dành cho các ứng dụng tránh sự cố và truyền thông tin cậy công cộng. Phần còn lại (kênh Ch174, Ch176, Ch180 và Ch182) được sử dụng cho cả các thiết kế an toàn và không an toàn. 1.3.2. Khả năng định tuyến VANET thừa hưởng các đặc tính giống như MANET. Do di động cao, tô pô thay đổi thường xuyên và thời gian tồn tại ngắn là những đặc điểm của mạng gây trở Bùi Tiến Đức – D13VT8 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet ngại cho các quyết định định tuyến. Một số yếu tố khác như hệ thống đường xá và môi trường khác nhau như thành phố và đường cao tốc làm cho việc định tuyến trở nên khó khăn hơn trong VANET. Trái ngược với định tuyến dựa trên tô pô của MANET, VANET sử dụng thông tin vị trí của các Nút tham gia trong mạng để đưa ra các quyết định định tuyến bởi vì mạng thường phân vùng, các giao thức định tuyến chủ động không kịp đáp ứng do sự thay đổi nhanh của tô pô mạng và thậm chí còn không kịp hội tụ trong quá trình trao đổi thông tin trạng thái. Việc định tuyến còn phải xem xét tính di động của các nút khi xe dừng (0 km/h) đến khi chạy hơn 140 km/h trên quốc lộ. Do đó, định tuyến không thể dựa trên địa chỉ nhóm như trong các mạng Ad-hoc thông thường mà phải dựa vào vị trí các nút để xác định việc truyền gói tin. Công nghệ geocast, broadcast và multicast có thể được áp dụng cho mạng V2V. Đề xuất dùng geocast trong các giao thức giới hạn vùng đích liên quan tới độ an toàn; dùng broadcast trong giao thức với việc cập nhật liên tục thông tin giữa các nút hàng xóm và unicast cho các giao thức còn lại. 1.3.3. Chất lượng dịch vụ Trong giao thông đường bộ, khi một sự việc khẩn cấp xảy ra, số phương tiện tiếp cận tai nạn có thể tăng đột ngột. Nếu các thông báo về tai nạn này được quảng bá tới mọi xe thì sẽ dẫn đến tắc nghẽn kênh. Đề xuất dưới đây cung cấp giới hạn thời gian để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các nhóm các giao thức khác nhau. Nhóm đầu tiên không có bất kỳ giới hạn về thời gian đáp ứng vì chúng không cần các thông báo hồi đáp. Độ trễ truyền tối đa được đề xuất là 250 ms với độ rung pha lớn nhất là 100 và một băng thông 52 Mbps. Đề xuất với nhóm giao thức thứ hai là thời gian đáp ứng 2-5 giây, 400 ms cho trễ truyền và băng thông 24-32 Kbps, còn độ rung pha của chúng thì không xét. Cuối cùng, các nhóm còn lại thì thời gian đáp ứng tối đa là 1s nhưng độ trễ có thể lên đến 200 ms và chỉ cần băng thông 1 Kbps vì các thông báo ngắn và các ký tự đơn giản. 1.3.4. Mức độ bảo mật Trong trường hợp trạng thái nguy hiểm của mạng VANET được cảnh báo lên tất cả các xe thì có thể gây ra sự phiền toái cho những người sử dụng khác. Vì thế các yêu cầu về bảo mật của VANET như: Kiểm soát truy cập, việc nhận thông báo, sự bảo Bùi Tiến Đức – D13VT8 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet mật thông điệp, sự riêng tư và ẩn danh và việc xác định chi phí,… được đưa ra. Có các nhóm giao thức chỉ yêu cầu kiểm soát truy nhập và một vài cấp độ bảo mật đối với thông điệp luồng lên với khóa đối xứng. Giờ cần mở rộng thêm yêu cầu về xác thực thông điệp và tính toàn vẹn cho nhóm này. Thực tế hai yêu cầu trên cũng được đề xuất cho các nhóm còn lại. Có các nhóm yêu cầu cao về bảo mật thông điệp và việc xác định chi phí. 1.4. KẾT LUẬN Chương đã đưa ra tổng quan về mạng VANET với các đặc điểm và các thách với mạng VANET đặc biệt là các thách thức về: Định tuyến và chuyển gói. Qua đó sẽ đưa ra các tiêu chí để thiết kế ứng dụng trong mạng VANET phù hợp với giao thức định tuyến trong mạng VANET. Các tiêu chí này cần được xem xét và cân nhắc kỹ khi tiến hành phân tích các kết quả mô phỏng hiệu suất mạng. Đó là phương tiện truyền dẫn ảnh hưởng đến khả năng định tuyến, chất lượng dịch vụ cũng như mức độ bảo mật. Điều này là rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến bởi vì mỗi giao thức khác nhau thì có hiệu suất mạnh yếu khác nhau trong các tô pô khác nhau. Ví dụ, với những vùng mạng yêu cầu bảo mật không cao hay chất lượng không cần quá tốt thì sẽ cho ta kết quả rất khác so với khi thực hiện tại các vùng mạng yêu cầu bảo mật tốt, một chất lượng dịch vụ thật tốt thì phải có những giao thức đảm bảo những Bùi Tiến Đức – D13VT8 điều kiện đó. 14 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG Phần này trình bày các kiến thức liên quan về định tuyến trong mạng MANET, định tuyến trong mạng VANET, các phương pháp nhằm giảm độ trễ trong các mạng Ad hoc và phân bố thời lượng đường đi trong mạng Ad hoc. 2.2.1. Định tuyến trong mạng MANET Định tuyến là một chủ đề nghiên cứu chính trong mạng MANET. DSDV và DSR là các giao thức tập trung vào tô pô của mạng để lựa chọn con đường truyền thông đầu cuối. DSDV là một giao thức chủ động có thể hoạt động tốt trong tô pô có kích thước nhỏ nhưng chưa phù hợp với các tô pô lớn và tính di động cao dothông tin tuyến đường được cập nhật thường xuyên. RBVT-P cũng là giao thức chủ động, nhưng khác với DSDV nó không bị ràng buộc bởi các đơn lẻ. RBVT-P xây dựng một cái nhìn theo thời gian thực về lưu lượng xe cộ trên đường. DSR là một giao thức định tuyến dựa trên nguồn để tạo ra các tuyến đường theo yêu cầu. RBVT-R cũng là giao thức tạo ra các tuyến đường theo yêu cầu, nhưng hai giao thức khác nhau trong việc biểu diễn các tuyến đường. Trong DSR, tuyến đường là các chuỗi các nút, do đó có thể dẫn đến việc phá vỡ lộ trình thường xuyên trong VANET. Trong khi đó RBVT-R, tuyến đường là chuỗi các nút giao lộ nơi xác định các đoạn đường được nối vào. Để cải thiện các giao thức sử dụng nút trung tâm truyền thống mà không xem xét tô pô, một số giao thức cho VANET đã khai thác thực tế là chuyển động của xe bị hạn chế trên đường để dự đoán chu kỳ hoạt động của các tuyến đường và sửa chữa các tuyến đường trước khi chúng bị phá vỡ hoặc giảm số lượng các tuyến đường bị phá vỡ bằng cách lựa chọn tuyến đường có các nút hàng xóm di chuyển theo cùng một hướng và với một tốc độ tương đối nhỏ. Định tuyến RBVT-R khác với các giao thức này, các tuyến đường định tuyến được dựa trên các thông tin trên đường với các thành phần chính của chúng là các nút giao thông nơi mà đường định tuyến đi từ nguồn đến đích. Bùi Tiến Đức – D13VT8 15 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet 2.2.2. Định tuyến trong mạng VANET Các khái niệm chính về định tuyến dựa trên nút trong mạng cảm biến đã được điều chỉnh để phù hợp cho môi trường mạng xe cộ. Các giao thức định tuyến GSR và SAR tích hợp các tô pô trong định tuyến sử dụng những khái niệm này. Trong các giao thức này, một nguồn tính đường đi ngắn nhất từ vị trí hiện tại đến đích. Tương tự như giao thức RBVT, chúng tập hợp danh sách giao lộ xác định đường dẫn từ nguồn đến đích trong phần đầu của mỗi gói tin được gửi bởi nguồn. Tuy nhiên, không xem xét lưu lượng xe cộ theo thời gian thực do đó các danh sách đó có thể bao gồm những con đường trống hoặc những con đường có phân vùng mạng riêng. Để giảm bớt vấn đề này, giao thức A-STAR dựa trên chỉnh sửa của giao thức GSR bằng cách ưu tiên cho đường phố được phục vụ bởi xe buýt chuyển tuyến mỗi lần một giao lộ mới sẽ được thêm vào tuyến đường nguồn. Giao thức CAR mới được đưa ra cho thấy các đường dẫn được kết nối giữa các cặp nguồn và đích và xem xét lưu lượng truy cập theo thời gian thực. CAR sử dụng mục "guards" để thêm vào bản tin "hello" để phản ánh chuyển động của các nút nguồn và đích trên các đường dẫn. Giao thức Gytar thì không lưu trữ các tuyến đường giao lộ đầy đủ trong các gói dữ liệu. Thay vào đó lựa chọn giao lộ tiếp theo được thực hiện tự động và mỗi lần chọn đoạn đường tiếp theo sẽ phải làm cân bằng tốt nhất về mật độ đường và chiều dài đường. Các giao thức MDDV và VADD sử dụng chuyển tiếp nhất thời để chuyển dữ liệu từ nguồn đến đích. Giao thức VADD sử dụng lịch sử lưu lượng dữ liệu truy cập để xác định tuyến đường tốt nhất đến đích. Giao thức MDDV thì xem xét điều kiện giao thông đường bộ cũng như số làn xe trên mỗi đoạn đường để chọn tuyến đường tốt nhất trên tô pô đường để chuyển tiếp dữ liệu. Trong cả hai giao thức, khi không có xe được tìm thấy dọc theo tuyến đường chuyển tiếp, một cách tiếp cận “Carryand-forward” được sử dụng. Nút phương tiện không thể truyền tải được gói dữ liệu sẽ phải lưu trữ nó cho đến khi nó tìm thấy một nút thay thế thích hợp hơn. Các giao thức này phù hợp với các ứng dụng chậm trễ, tức là các ứng dụng mà người dùng có thể chịu được một mức độ chậm trễ nhất định (lên đến một phút trở lên), miễn là dữ liệu cuối cùng đã đến. Các giao thức RBVT thì khác, nó sẽ cung cấp hỗ trợ cho các ứng dụng không bị chậm trễ. Các giao thức RBVT yêu cầu phải có một đường dẫn kết thúc tồn tại để cho Bùi Tiến Đức – D13VT8 16