Nghiên cứu và so sánh hiệu năng của một số giao thức định tuyến mạng vanet

Lý do chọn đề tài Ngày nay công nghệ thông tin đã có những bước tiến vượt bậc và được áp dụng vào rất nhiều các mặt của đời sống xã hội như kinh tế, giáo dục, y tế, quân sự,...và trong

TRƯƠNG THỊ PHƯƠNG CHI

NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH HIỆU NĂNG

CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

TRƯƠNG THỊ PHƯƠNG CHI

NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

MẠNG VANET

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 61.49.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ VĂN SƠN

Đà Nẵng, Năm 2017

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

iv vi vii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

83

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay công nghệ thông tin đã có những bước tiến vượt bậc và được

áp dụng vào rất nhiều các mặt của đời sống xã hội như kinh tế, giáo dục, y tế, quân sự, và trong đó có ngành giao thông một số lượng lớn các loại xe ô tô tham gia giao thông đã làm tăng lên sự quan tâm trong việc phát triển các kỹ thuật truyền thông dành cho các phương tiện xe cộ, một vài dịch vụ di động mới hiệu quả kinh tế và các ứng dụng cho các mạng giao thông đã được nghiên cứu, đặt nền tảng cho hệ thống vận tải thông minh Nhiều công nghệ

đã được đề xuất cho hệ thống vận tải thông minh nhằm mục đích tăng sự an toàn trên các tuyến đường và vận tải hiệu quả và cung cấp kết nối Internet không dây ở khắp mọi nơi Nhu cầu truyền thông ngày càng lớn đ i hỏi những dịch vụ chất lượng cao, do đó cần phải có cơ sở hạ tầng đáp ứng cho quá trình truyền thông trên nhiều môi trường khác nhau Đặc biệt sự ra đời mạng không dây đã đáp ứng một phần nhu cầu truyền thông cho những nơi mà mạng có dây không thể thực hiện tốt được Thêm vào đó là các nghĩa truyền thông khác, chẳng hạn các tài xế có thể nhanh chóng cập nhập thông tin giao thông nổi bậc

về các tuyến đường với chi phí thấp Với những lý do này, truyền thông vô tuyến dành cho phương tiện giao thông đã trở thành một công nghệ rất quan trọng

Các mạng thông tin vô tuyến được chia thành hai dạng là các mạng có

cơ sở hạ tầng và các mạng Ad-hoc Hầu hết các mạng thông tin vô tuyến ngày nay là mạng có cơ sở hạ tầng, bao gồm các mạng thông tin di động và mạng LAN không dây Trong một mạng thông tin vô tuyến có cơ sở hạ tầng, các

của chúng Mặt khác, các mạng di động Ah-hoc (Mobile Ad-hoc Networks – MANETs) được sử dụng và quản lý mà không có một cơ sở hạ tầng được thiết lập trước Thực tế, trong mạng MANET, các thiết bị đầu cuối liên lạc trực tiếp với các thiết bị khác mà không thông qua một thiết bị quản l trung tâm

Do MANET là một mạng mềm dẻo mà có thể được thiết lập tại bất cứ đâu vào bất cứ thời điểm nào mà không cần đến cơ sở hạ tầng hiện tại, bao gồm cả sự cấu hình trước đó và người quản trị, mọi người có thể nhận ra tiềm năng thương mại và lợi thế của mạng ad hoc có thể mang lại MANET có thể được dùng trong quân sự, trong các mạng cảm biến, các hoạt động cứu hộ, sử dụng để truyền thông giữa các sinh viên trong khu trường sở, trao đổi thông tin và dữ liệu trong các khu thương mại, tự do chia sẻ kết nối Internet, dùng trong các buổi hội thảo,…

Các mạng MANET hiện tại đang nhận được sự quan tâm đặc biệt trong

cả lĩnh vực công nghiệp và giáo dục Chúng là thành phần quan trọng của các mạng thế hệ kế tiếp Trong khi MANETs ban đầu được thiết kế cho mục đích quân sự, thì hiện nay các lợi ích trong các kỹ thuật vô tuyến, như mạng khu vực cá nhân (Personal Area Network - PAN) (ví dụ Bluetooth 802.15.1, ZigBee) và mạng LAN không dây (802.11), đã mang đến một sự thây thế trong việc s dụng MANETs Chúng cho phép hỗ trợ một phạm vi rộng của các ứng dụng thương mại mới trên MANETs Bên cạnh các kỹ thuật đã kể trên, truyền thông khoảng cách ngắn (Dedicated Short Range Communications - DSRC) đã làm cho việc thông tin liên phương tiện (Inter-Vehicular Communications - IVC) và thông tin phương tiện – tuyến đường (Road-Vehicle Communications – RVC) trở nên khả thi trong các mạng MANET

mạng Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs) [2]

Mạng VANET là một trường hợp đặc biệt của MANET Chúng giống với mạng MANET với sơ đồ mạng (topology) biến đổi nhanh vì sự di chuyển

ở tốc độ cao của các phương tiện Tuy nhiên, không giống như MANET, tính

di động của các phương tiện trong VANET bị ràng buộc chung bởi các tuyến đường được định trước Vận tốc của phương tiện cũng được ràng buộc theo các giới hạn tốc độ, mức độ tắc nghẽn trên tuyến đường, và các cơ chế điều khiển lưu lượng (như đèn giao thông) Thêm vào đó, các phương tiện giao thông có thể được trang bị thiết bị phát sóng khoảng cách xa hơn, nguồn năng lượng có khả năng phục hồi, và khả năng lưu trữ cao hơn Do đó, công suất

xử lý và khả năng lưu trữ không phải là vấn đề trong mạng VANET như trong mạng MANET

Cùng với sự phát triển hiện tại trong lĩnh vực VANET, một số lượng các ứng dụng cho việc bố trí phương tiện đã được đưa ra Các ứng dụng VANET bao gồm các hệ thống an toàn hoạt động trên xe để hỗ trợ các tài xế trong việc tránh va chạm và điều phối họ tại các điểm nóng như tại các giao lộ hay các lối vào đường cao tốc Các hệ thống an toàn có thể phổ biến thông tin tuyến đường một cách thông minh, như các sự cố, tắc nghẽn lưu lượng thời gian thực, việc thu phí đường cao tốc, hay điều kiện mặt đường đến các phương tiện trong lân cận vị trí được đề cập Điều này giúp tránh việc các phương tiện

bị dồn ứ và theo đó cải thiện hiệu suất s dụng các tuyến đường Bên cạnh các ứng dụng an toàn đã được đề cập, việc truyền thông liên phương tiện IVC có thể được sử dụng để cung cấp các ứng dụng tiện ích, chẳng hạn như thông tin thời tiết, vị trí các trạm xăng hay nhà hàng, và các ứng dụng truyền thông tương tác như truy cập Internet, tải nhạc, và phân phối nội dung Với những

thống giao thông hiện nay nên em đã chọn thực hiện đề tài này

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Khóa luận tập trung đi sâu nghiên cứu về mạng VANET, kết hợp phân tích trên lý thuyết cùng thực nghiệm mô phỏng để so sánh và đánh giá một số giao thức định tuyến

Nội dung cụ thể gồm:

 Tìm hiểu, nghiên cứu về mạng không dây và mạng VANET

 Nghiên cứu sâu về các giao thức định tuyến trong mạng VANET Xác định các giá trị cần so sánh trong mạng VANET

 Mô phỏng so sánh và đánh giá một số giao thức định tuyến trong mạng VANET thông qua NS2



3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

 Mạng VANNET

 Giao thức định tuyến

 Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu giao thức định tuyến trong mạng VANET

 So sánh đánh giá các giao thức định tuyến

 Phần mềm mô phỏng NS2

 Phần mềm hổ trợ mô phỏng MOVE và SUMO

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu, sử dụng hai phương pháp chính là nghiên cứu

lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

 Phương pháp lý thuyết

 Các tài liệu về mạng không dây và mạng VANET

 Mô phỏng so sánh và đánh giá các giao thức định tuyến bằng NS2

 So sánh, đánh giá hiệu suất của các giao thức định tuyến trong mạng VANET

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Thực hiện nghiên cứu tổng quan về mạng VANET, tìm hiểu chuyên sâu hơn về các giao thức định tuyến trong mạng VANET

 Nghiên cứu một cách chi tiết về môi trường mạng, các mô hình chuyển động đặc trưng Thực nghiệm so sánh và đánh giá các giao thức định tuyến trong mạng VANET bằng NS2

 So sánh, đánh giá thực tiễn các giao thức định tuyến trong mạng VANET nhằm có những cải tiến hơn nữa để nâng cao hiệu năng mạng

6 Bố cục của luận văn

Luận văn được tổ chức thành ba Chương với nội dung chính như sau: Chương 1 Nghiên cứu tổng quan về mạng không dây và mạng VANET Chương 2 Nghiên cứu các giao thức định tuyến trong mạng VANET Chương 3 Thực nghiệm so sánh hiệu năng và đánh giá hiệu năng DSR, AODV, AOMDV và GPSR trong mạng VANET

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠNG KHÔNG DÂY VÀ MẠNG VANET

Chương này trình bày tổng quan về đề tài, khái quát các nội dung liên quan, các vấn đề tồn tại Nội dung của chương bao gồm 2 phần chính:

Phần thứ nhất là giới thiệu và phân loại mạng không dây: Trình bày khái quát, tổng quan về mạng không dây và phân loại mạng không dây

Phần thứ hai là tìm hiểu mạng không dây đặc biệt VANET: Giới thiệu mạng VANET, khái niệm, đặc điểm, kiểu kết nối, cơ chế hoạt động, ứng dụng trong mạng VANET

1.1 GIỚI THIỆU VÀ PHÂN LOẠI KHÔNG DÂY

1.1.1 Giới thiệu

Mạng không dây được đánh dấu mốc hình thành từ những năm 1887 khi Heinrich Rudolf Hertz chứng minh được thuyết điện từ Maxwell thông qua thực nghiệm Từ đó đến nay các nhà nghiên cứu đã cho ra đời hàng loạt phát minh sáng chế góp phần đưa công nghệ mạng không dây không ngừng cải tiến vượt trội về tốc độ truyền nhận dữ liệu

Hình 1.1 Sự phát triển của mạng không dây

Nhờ những cải tiến nhanh chóng trong công nghệ mạng không dây và sự

ra đời của các dịch vụ và ứng dụng không dây mới, phạm vi truyền thông không dây đã có những thay đổi đáng kể Với sự nổi lên của các mạng tế bào thế hệ thứ ba làm tăng tốc độ truyền dữ liệu, cho phép cung cấp các dịch vụ

dữ liệu di động đa dạng với tốc độ cao hơn Trong khi đó thì các chuẩn mới cho sóng vô tuyến phạm vi ngắn như Bluetooth, 802.11, HiperLAN và truyền hồng ngoại đang hỗ trợ để tạo phạm vi rộng hơn cho các ứng dụng mới tại các

hộ gia đình hay xí nghiệp, cho phép truyền thông không dây dữ liệu đa phương tiện được tốt hơn

Nói chung, mạng không dây là mạng s dụng phương tiện truyền là sóng hồng ngoại hoặc vô tuyến điện để chia sẻ thông tin và các tài nguyên giữa các thiết bị Nhiều kiểu thiết bị không dây đang được s dụng phổ biến ngày nay như các thiết bị cá nhân cầm tay, các máy tính xách tay, các máy điện thoại di động, cảm biến không dây (wireless sensor), các thiết bị nhận vệ tinh…

Mạng không dây có các đặc tính như sau:

 Nhiễu cao hơn trong khi độ tin cậy thấp hơn:

Các tín hiệu hồng ngoại chịu nhiễu từ ánh sáng mặt trời và các nguồn

nhiệt và có thể bị che chắn bởi nhiều loại vật cản Các tín hiệu vô tuyến điện thường có thể xuyên qua nhiều loại vật cản tuy nhiên chúng có thể bị nhiễu bởi các thiết bị điện và điện t

Truyền quảng bá đồng nghĩa với việc tất cả các thiết bị có khả năng gây nhiễu cho nhau

Tự nhiễu bởi đặc tính truyền đa đường(multi-path fading)

 Băng thông và tốc độ truyền thấp hơn: Thông thường tốc độ truyền của mạng không dây chậm hơn và không ổn định so với mạng có dây, dẫn đến độ trễ và biến động trễ (jitter) cao hơn Đây là nguyên nhân làm giảm chất lượng dịch vụ

 Các điều kiện mạng biến đổi cao và thất thường

 Tỉ lệ mất mát dữ liệu cao hơn do nhiễu

 Việc di chuyển của người dùng dẫn đến việc bị ngắt kết nối thường xuyên

 Sự thay đổi kênh khi những người dùng di chuyển vòng quanh

 Năng lượng nhận được giảm dần theo khoảng cách

 Các tài nguyên tính toán và năng lượng bị hạn chế:

 Sức mạnh tính toán, bộ nhớ, kích thước ổ đĩa, dung lượng pin bị hạn chế cũng như việc giới hạn kích cỡ thiết bị, trọng lượng và chi phí

 Sự hạn chế của các tần số với các quy định khắt khe

 Sự khan hiếm và đắt của phổ

 Giới hạn kích cỡ thiết bị dẫn tới việc các kết quả bị giới hạn trong giao diện người dùng và màn hình

 Độ bao phủ dịch vụ bị hạn chế: Do việc giới hạn công suất phát của thiết bị mạng dẫn đến khoảng cách truyền bị hạn chế, việc thực thi dịch vụ trong mạng không dây phải đối mặt với nhiều ràng buộc và chịu nhiều thách thức hơn so với mạng có dây

 Thực hiện bảo mật khó hơn: Do giao diện sóng vô tuyến là có thể bị truy cập bởi bất kỳ người nào trong phạm vi phủ sóng của thiết bị phát nên việc đảm bảo an ninh mạng không dây là khó thực thi hơn

Hiện nay có nhiều kiểu mạng không dây tồn tại và có thể được phân loại theo nhiều cách đa dạng phụ thuộc vào tiêu chuẩn được lựa chọn cho việc phân loại

1.1.2 Phân loại mạng không dây

a Phân loại theo định dạng và kiến trúc mạng

Các mạng không dây có thể được chia thành hai kiểu lớn dựa trên cách làm thế nào mạng được khởi tạo và kiến trúc mạng bên dưới

Người ta có thể phân thành hai loại:

 Mạng dựa trên cơ sở hạ tầng: Mạng dựa trên cơ sở hạ tầng được tạo bởi các nút mạng có kết nối không dây, có thể di động, chúng truyền thông với nhau một cách trực tiếp hoặc thông qua một nút thuộc mạng có dây (nút

cố định), nút này đồng thời đóng vai trò nút cổng, qua đó các nút mạng không dây có thể kết nối với các máy tính trong mạng có dây và Internet

Ví dụ mạng gồm một số nút di động không dây kết nối với một hoặc một vài AP (Access Point), các AP này có thể kết nối với mạng LAN có dây

và Internet WLAN thuộc kiểu này

 Mạng không có cơ sở hạ tầng (MANET): Trong trường hợp này mạng được tạo một cách động thông qua việc kết hợp của một tập tùy các nút độc lập Không có sự sắp xếp trước bất chấp vai trò xác định của mỗi nút Thay vì

đó, mỗi nút đưa ra quyết định một cách độc lập dựa trên tình huống mạng không cần s dụng cơ sở hạ tầng mạng tồn tại trước

Ví dụ hai chiếc máy tính được trang bị với các mạng không dây có thể thiết lập mạng độc lập mỗi khi chúng nằm trong phạm vi của thiết bị kia Trong mạng MANET, mỗi nút thực hiện chức năng tương đương với một bộ định tuyến, cộng tác với các nút khác để thực hiện việc phát hiện và bảo đảm các tuyến tới các nút trong mạng

b Phân loại theo phạm vi bao phủ truyền thông

Giống như các mạng có dây, các mạng không dây có thể được phân loại thành các kiểu khác nhau dựa trên khoảng cách mà dữ liệu được truyền, bao gồm:

Square metter Around person 802.15

WLAN

10m, 100m, 1km Room, Duilding, Campus 802.11

WMAN

10 km city 802.16

WWAN

100 km, 1000 km Country, Contimet 802.20

Hình 1.2 Phân loại mạng không dây dựa trên quy mô

 WWAN (Wireless Wide Area Network): Là mạng WAN không dây dựa trên cơ sở hạ tầng bao gồm MSCvà trạm BS,… làm việc để cho phép các người dùng thiết lập các kết nối không dây s dụng sóng vô tuyến thay vì cáp đồng truyền thống Các kết nối này có thể được tạo ra trên các phạm vi địa lý lớn, thậm chí bao trùm các thành phố hoặc các nước bằng việc s dụng nhiều trạm BS hoặc hệ thống truyền thông vệ tinh Các mạng máy tính dựa trên các mạng viễn thông kiểu tế bào (CDMA hoặc GSM) và các hệ thống vệ tinh là những ví dụ điển hình về các mạng WWAN

 WMAN (Wireless Metropolitan Area Network): Là các mạng không dây cố định cỡ thành phố, có cơ sở hạ tầng, cho phép người dùng thiết lập các kết nối không dây dải tần rộng giữa nhiều vị trí trong một vùng dân cư ví dụ như giữa nhiều tòa nhà, văn phòng trong một thành phố hoặc trong khuôn viên của trường đại học mà không phải trả chi phí cao cho việc chạy cáp quang hoặc cáp đồng Ngoài ra, mạng WMAN có thể dùng làm mạng dự phòng cho các mạng có dây khi các mạng có dây không khả dụng Cả sóng vô

tuyến và ánh sáng hồng ngoại có thể được s dụng trong WMAN để truyền

dữ liệu Tổ chức IEEE có một tập các chuẩn về WMAN trong IEEE 802.16 và khuyến nghị s dụng trong thực tế để hỗ trợ việc phát triển và triển khai mạng WMAN băng thông rộng

 WLAN (Wireless Local Area Network): Là mạng LAN s dụng đường truyền không dây để liên kết các thiết bị, các thiết bị thường truyền thông với nhau thông qua điểm truy cập AP (Access Point), phương pháp truy cập đường truyền thường là CSMA/CA với tầng vật lý s dụng phương pháp trải phổ hoặc OFDM Điều này cho phép người dùng di động có thể di chuyển xung quanh AP trong phạm vi phủ sóng của nó mà vẫn duy trì được kết nối mạng WLAN ngày càng trở nên phổ biến ở các hộ gia đình bởi việc cài đặt dễ dàng và sự phổ biến của các máy tính xách tay

 WPAN (Wireless Personal Area Network): Là mạng không dây cá nhân được tạo bởi sự kết nối vô tuyến giữa các thiết bị không dây như PDA, điện thoại di động hay máy tính cá nhân…trong phạm vi ngắn WPAN có tầm phủ sóng ngắn thông thường trong phạm vi 10m Hai công nghệ WPAN chính

là Bluetooth và ánh sáng hồng ngoại Bluetooth là công nghệ s dụng sóng vô tuyến thay thế cáp để truyền dữ liệu trong khoảng cách 9-10m Công nghệ truyền hồng ngoại có thể kết nối các thiết bị trong phạm vi 1m WPAN đang được thúc đẩy phát triển mạnh mẽ bởi độ phức tạp thấp, tiêu thụ ít năng lượng

và tương thích với các mạng 802.11

c Phân loại theo công nghệ truy cập đường truyền

Phụ thuộc vào các chuẩn xác định (tần số, phương pháp truyền sóng và điều khiển truy cập đường truyền… ) các mạng không dây có thể được phân loại như sau:

 Các mạng GSM

 Các mạng TDMA

d Phân loại theo các ứng dụng mạng

Các mạng không dây cũng có thể được phân loại dựa trên đối tượng s dụng mạng và các ứng dụng mà mạng cung cấp, ví dụ:

1.2 MẠNG KHÔNG DÂY ĐẶC BIỆT VANET

1.2.1 Giới thiệu về mạng VANET

VANET là chữ viết tắt của cụm từ Vehicular Ad hoc Network, VANET

là mạng trong đó các xe (vehicle) sẽ được trang bị thiết bị thu/phát, chúng sẽ trở thành các node như trong mạng Ad-hoc Các xe sẽ liên lạc với nhau (Car

to Car Communication, hay M2M (machine-to-machine communication) để chia sẻ thông tin với nhau Thông tin về traffic, về tình trạng kẹt xe, thông tin

về tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh , từ đó có thể đưa ra các cảnh báo giúp ích cho người tham gia giao thông Một chiếc xe cũng có thể trở thành một node trung gian để chuyển tải thông tin cho xe khác

Vehicular: xe cộ, không chịu sự quản l của quản trị mạng VANET = Ad hoc: không hạ tầng mạng, tô-pô mạng động

Network

Hình 1.3 Mô hình minh họa mạng VANET

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, chúng ta đang tận hưởng những ứng dụng, tiện ích của công nghệ thông tin truyền thông đem lại, mà cụ thể là các ứng dụng trong công nghệ không dây Sức hút từ lĩnh vực di động, khả năng dễ tiếp cận và tính linh hoạt làm cho những công nghệ không dây là phương pháp tối ưu của việc truyền thông tin Trong một vài thập niên trở lại đây ngành công nghiệp nặng phát triển, trong các ngành đó phát triển nhất là giao thông vận tải, từ khi ra đời nó đã khẳng định được vị trí của mình trong cuộc sống con người, nó giúp con người tiết kiệm rất nhiều thời gian và sức lực Tuy nhiên cũng phải kể đến vấn đề tai nạn giao thông xảy ra liên tục mà một trong những nguyên nhân lớn là sự chủ quan của các tài xế và người đi đường Nhưng trước tình hình giao thông của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng đang có nhiều bất cập và trở thành vấn đề cần được giaỉ quyết cấp bách Đó là các vấn đề về tai nạn giao thông, kẹt xe giờ cao điểm, thông tin giao thông cần biết, các tiện ích s dụng khi đang tham gia

giao thông…… Để giải quyết được vấn đề này cần có một hệ thống được tích hợp sẵn trên các xe tham gia giao thông, các thiết bị này phải hoạt động một cách tự động và có thể liên lạc được với nhau để hỗ trợ tài xế một cách tốt nhất Dựa vào các tưởng trên, hệ thống mạng VANET ra đời và đã được triển khai th nghiệm ở một số nước như Hàn Quốc, Mỹ, Ở Việt Nam tuy

đề tài này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu do khoa học kỹ thuật chưa phát triển, trang thiết bị còn thiếu thốn, nguồn đầu tư còn ít tuy nhiên nó cho thấy trong tương lại nó sẽ là bước đi đầu tiên của ngành xe cộ thông minh của thế giới và chúng ta sẽ không khỏi phủ nhận ứng dụng thiết thực của nó như thế nào đối với đời sống con người Dưới các mục tiêu nói trên thì mạng VANET đã trở thành một phần rất quan trọng trong lĩnh vực giao thông và hứa hẹn sẽ là một đóng góp quan trọng trong lĩnh vực nghiên cứu công nghệ truyền thông không dây

1.2.2 Đặc điểm mạng VANET

Mặc dù VANET được xem xét như là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt, đặc biệt là trong lĩnh vực giao thông với vấn đề cảnh báo an toàn nhưng VANET vẫn được coi như là một phân nhóm của Mobile Ad Hoc Networks (MANET) và một thành phần của hệ thống ITS Do đó, mạng VANET có nhiều đặc điểm chung của mạng MANET:

Đối với mạng VANET thì những hạn chế về các kiến trúc hạ tầng mà các mạng truyền thống vẫn đòi hỏi (chẳng hạn như các trạm thu phát gốc, các

bộ định tuyến) đã được loại bỏ Mạng VANET thường được tạo nên bởi các node ngang hàng, giao tiếp nhau thông qua kênh truyền vô tuyến mà không cần bất kì bộ điều khiển trung tâm nào Trong mạng VANET, cấu hình mạng thường xuyên bị thay đổi một cách ngẫu nhiên Thêm nữa, sự phân bố của các node và khả năng tự tổ chức đóng một vai trò quan trọng Những đặc tính chính có thể tổng kết dưới đây:

 Cấu hình mạng động, các node di chuyển với tốc độ cao

 S dụng kênh truyền không dây nên có sự hạn chế về dung lượng

 Sự hạn chế về bảo mật

 Bị ảnh hưởng bởi sự mất mát gói dữ liệu lớn, chịu trể và thay đổi lớn hơn mạng cố định do sự lan truyền sóng vô tuyến

Mạng VANET rất độc lập về cấu trúc và quyền ưu tiên Sự thật là chỉ cần

từ hai node trở lên là có thể tạo nên một mạng VANET miễn là các node đủ gần cho sự lan truyền sóng vô tuyến mà không có bất kì sự can thiệp của bên ngoài

Tương tự như mạng MANET, các node trong mạng VANET tự tổ chức

và tự quản l thông tin một cách phân phát mà không có một cơ quan tập trung hoặc một máy chủ đưa ra mệnh lệnh về các thông tin liên lạc Trong kiểu mạng này, các node tham gia tựa như máy chủ và máy khách, qua đó trao đổi và chia sẻ thông tin ngang hàng nhau Hơn nữa, các node di động, do

đó làm cho việc truyền dữ liệu có độ tin cậy thấp Có 2 kiểu node trong mạng VANET Đó là những node di động(OBUs) và node tĩnh(RSUs) Một OBU giống như một mô-đun mạng di động bao gồm một bộ x l trung tâm cho các bộ cảm biến trên các phương tiện và những thiết bị cảnh báo RSUs có thể được gắn tại các địa điểm tập trung như node giao thông, bãi đỗ xe hoặc các trạm khí Nó đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng như một cổng vào Internet

Hình 1.4 Các node trong mạng VANET

Ngoài những đặc điểm này, VANET có một vài tính chất đặc trưng để chứng tỏ nó là một lĩnh vực nghiên cứu riêng biệt và mới mẻ:

 Tốc độ di chuyển các node cao và cấu trúc liên kết trong mạng

thường xuyên thay đổi: tốc độ và sự lựa chọn tuyến truyền dẫn xác định cấu

trúc liên kết năng động của VANET Trong VANET thì các node luôn di chuyển thường xuyên, linh hoạt với tốc đô cao Nếu chúng ta lấy ví dụ hai chiếc xe di chuyển ra xa nhau với một tốc độ 90km/h (25m/sec) và nếu phạm

vi truyền dẫn là khoảng 250 m thì liên kết giữa hai chiếc xe này sẽ kéo dài trong 5 giây Điều này làm cho cấu trúc liên kết của VANET thường xuyên thay đổi

 Thường xuyên bị ngắt kết nối mạng: Các tính năng trên đòi hỏi phải

trong vòng mỗi 5 giây, các node cần thiết lập các liên kết khác với các chiếc

xe gần đó để duy trì kết nối liền mạch, đặc biệt là trong trường hợp ở các khu vực mật độ xe thấp thì thường xuyên xảy ra trường hợp gián đoạn trong vấn

đề kết nối mạng Do đó để giải quyết vấn đề trên cần phải triển khai các node chuyển tiếp để duy trì kết nối mạng

 Mô hình hóa tính di động và tính năng cảnh báo: Với các tính năng

kể trên để duy trì kết nối cần phải nắm bắt được vị trí và sự chuyển động của các node qua đó dự đoán được tính chất và hướng chuyển động của mỗi node Nên để xây dựng một mạng lưới đạt hiểu quả cần chú đến mô hình các con đường và tốc độ các node

 Môi trường truyền thông: Mô hình có tính di động cao và thường

xuyên thay đổi từ môi trường đường cao tốc sang môi trường thành phố Do

đó việc thiết kế các node và các thuật toán định tuyến cũng cần phải thích ứng với những thay đổi này

 Hạn chế về độ trể: đề cập về các ứng dụng an toàn của VANET đều

cần phải đảm bảo về thời gian phân phát các gói tin mang thông điệp đến các node có liên quan Điều đó có nghĩa là không thể để trường hợp các dữ liệu truyền đến chậm trễ Do đó, các gói tin dữ liệu lớn không phải là vấn đề quan trọng trong VANET mà là vấn đề khắc phục độ trễ của các gói tin khi truyền sóng phân phát

 Tương tác với các bộ cảm biến gắn trong: các cảm biến này giúp

cho việc cung cấp vị trí các node và sự chuyển động của nó một cách chính xác và được s dụng cho liên kết thông tin liên lạc một cách hiệu quả nhất và

áp dụng vào mục đích định tuyến

 Cách thức lan truyền: Trong VANET, môi trường truyền thông

thường không phải không gian trống vì sự hiện diện của các tòa nhà, cây cối,

và các loại xe khác, nên cũng cần cân nhắc tác động của các đối tượng này đến hiệu quả của việc định tuyến

 Nguồn năng lượng và bộ nhớ lưu trử không giới hạn: Các node

trong mạng VANET không phải là đối tượng có nguồn năng lượng và bộ nhớ lưu trữ bị giới hạn Các node là các xe có năng lượng phong phú và công suất lớn Như vậy vấn đề tối ưu hóa nguồn năng lượng không phải là vấn đề quan

trọng trong mạng VANET Vậy sự khác biệt chính giữa giao thức trong mạng VANET và các giao thức khác của mạng Ad-Hoc là yêu cầu thiết kế sao cho giảm thiểu tối đa độ trể, để duy trì kết nối mạng tốt với độ tin cậy cao

1.2.3 So sánh giữa mạng MANET và VANET

MANET và VANET rất giống nhau trên nền tảng kỹ thuật nhưng khác nhau về một số tham số cơ bản sau đây:

Bảng 1.1 So sánh các tham số cơ bản của MANET và VANET

Stt Tham số MANET VANET

02 Sự thay đổi cấu trúc mạng Chậm Thường xuyên và

nhanh

03 Sự di động của các node Chậm Nhanh

08 Multihop routing Available Weakly avaliable

09 Hướng di chuyển của node Ngẩu nhiên Theo đường

10 Vị trí node Dựa vào thuộc tính Dựa vào vị trí

node

11 Cách xác định node Ultrasonic GPS, RADA

Một cách dễ hiểu hơn là khi so sánh với MANET là các node di động trong MANET là xe thì kiểu mạng này được gọi là VANET Một điều quan trọng để phân biệt giữa MANET và VANET là các node di chuyển với tốc độ trung bình lớn hơn, số lượng node tham gia trong mạng nhiều, diện tích phủ sóng thì lớn hơn rất nhiều và các node thì di chuyển trên các đường có sẵn chứ không di chuyển ngẫu nhiên như trong MANET

1.2.4 Mô hình lớp trong mạng VANET

Hình 1.5 Mô hình lớp trong mạng VANET

 Lớp ứng dụng ( Aplication layer )

Lớp ứng dụng là lớp gần gũi với người dùng hơn hết, nó cung cấp các dịch vụ mạng cho các ứng dụng của người dùng Khác với các lớp khác ở chỗ

không cung cấp các dịch vụ cho bất kì lớp nào, thay vào đó, nó chỉ cung cấp các dịch vụ cho các ứng dụng nằm bên ngoài mô hình OSI như: các chương trình ứng dụng, chương trình x l bảng tính, các chương trình x l văn bản, các chương trình đầu cuối Lớp ứng dụng thiết lập tính sẵn sàng cho các đối tác thông tin, đồng bộ hóa và thiết lập tính nhất quán trên các thủ tục khắc phục lỗi và kiểm soát tính toàn vẹn dữ liệu Trong trường hợp của mạng VANET thì lớp ứng dụng còn chịu trách nhiệm cho việc cung cấp ứng dụng liên quan đến vị trí (location based services)

 Lớp vận chuyển ( Transport layer )

Lớp vận chuyển phân đoạn dữ liệu từ hệ thống host truyền và tái thiết lập

dữ liệu tại hệ thống host nhận, cung cấp một dịch vụ vận chuyển dữ liệu, làm thế nào để vận chuyển dữ liệu giữa hai host thật sự đáng tin cậy là trách nhiệm liên quan đến lớp vận chuyển Trong việc cung cấp dịch vụ truyền thông, lớp vận chuyển thiết lập, duy trì và kết thúc một cách tốt đẹp các mạch

ảo, phát hiện và khắc phục lỗi cũng như điều khiển luồng thông tin đều được thực hiện ở đây

Trong môi trường VANET, sự di chuyển của các node sẽ làm cho hầu hết các gói nhận được đều không theo đúng thứ tự do sự trễ của các gói ACK Đối với mạng VANET sự mất mát gói chủ yếu là do lỗi trong kênh truyền Vì thế để thiết kế một lớp vận chuyển hiệu quả cho VANET, những vấn đề sau phải được xem xét:

 Kích thước gói tin phải được điều chỉnh sao cho không chỉ phù hợp với lỗi kênh truyền và trễ đầu cuối, mà còn phù hợp với sự di chuyển cơ động của các node

 Thời gian time-out dùng để chỉ khoảng thời gian giao thức phải chờ trước khi gởi lại phải được tính toán cho phù hợp do sự cơ động của mạng Rõ

ràng nếu khoảng thời gian này giảm xuống sẽ làm tăng số lần gởi lại và nếu tăng time-out lên thì sẽ làm giảm số lượng gói đưa vào mạng

Các nghiên cứu về giao thức lớp vận chuyển dành cho mạng VANET tập trung cho việc phát triển cơ chế phản hồi sao cho có thể giúp lớp vận chuyển nhận biết được sự cơ động của mạng, điều chỉnh thời gian time-out và kích thước gói tin sao cho phù hợp

 Lớp liên kết dữ liệu (Data link)

Lớp này bao gồm 2 lớp con LLC và MAC Lớp con MAC chịu trách nhiệm quản lý việc truy xuất kênh truyền, LLC thì liên quan đến việc duy trì kết nối, đóng frame dữ liệu, đồng bộ, phát hiện lỗi, khả năng phục hồi và điều khiển luồng

Ở đây, hai kĩ thuật lớp MAC có thể được s dụng để xây dựng nên mạng VANET: IEEE 802.11(chuẩn cho mạng cục bộ không dây) và công nghệ Bluetooth vốn là chuẩn của mạng cục bộ cá nhân (WPAN) Các công nghệ Bluetooth và IEEE 802.11 là đặc trưng của hai phương pháp đa truy cập mạng: truy cập ngẫu nhiên và truy cập theo kiểu token (node nào nhận được token mới được phép truyền dữ liệu) Do tính mềm dẻo vốn có của cách truy cập ngẫu nhiên (vì cách truy cập này cho phép các node di chuyển không giới

hạn) nên được s dụng cho mạng WLAN Công nghệ Bluetooth được thiết kế

để hỗ trợ cho các ứng dụng thời gian thực hơn là các ứng dụng thông thường

án mới để nghiên cứu, phát triển và tiêu chuẩn hóa mạng VANET Trong mạng VANET, các xe chia sẻ các gói tin ứng dụng về tình trạng giao thông,

về tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh ,

từ đó có thể đưa ra các cảnh báo giúp ích cho người tham gia giao thông được

an toàn

Hình 1.6 Cảnh báo nguy hiểm về tai nạn giao thông

 Khó khăn

Các đặc điểm của mạng VANET dẫn đến nhiều th thách dưới nhiều hình thức do vậy cần phải có giao thức hoạt động riêng cho mạng VANET Các vấn đề cần lưu như:

CHƯƠNG 2

GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

Trong chương này trình bày khái quát về các thuật toán định tuyến cơ bản, ưu điểm và nhược điểm của từng thuật toán và đặt ra những yêu cầu đối với các thuật toán được ứng dụng vào mạng VANET

Tìm hiểu về nguyên l , cơ chế hoạt động của các giao thức AODV, AOMDV, DSR, GPSR phân tích ưu điểm nhược điểm của từng giao thức tạo tiền đề cho việc mô phỏng và so sánh

2.1 CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN CƠ BẢN TRONG MẠNG

Định tuyến là việc tìm đường đi từ nguồn tới đích qua hệ thống mạng Giao thức định tuyến có chức năng chính là lựa chọn đường cho các cặp nguồn-đích và phân phát gói tin tới đích chính xác Với đặc điểm tỉ lệ lỗi gói tin thấp, cấu hình ít thay đổi và thay đổi chậm truyền thông trong mạng có dây truyền thống có thể áp dụng các thuật toán định tuyến dựa trên bảng là giải thuật trạng thái liên kết (Link State Routing) hoặc véc tơ khoảng cách (Distance Vector Routing) Thuật toán Link State được s dụng trong giao thức OLSF (Open Shortest Path First) của Internet Thuật toán Distance Vector còn được gọi là thuật toán Bellman-Ford, được dùng trong mạng ARPANET lúc mới ra đời và được s dụng trong mạng Internet với tên gọi là RIP (Routing Information Protocol) Các giao thức định tuyến truyền thống cũng s dụng định tuyến nguồn (Source Routing) và kỹ thuật flooding để tìm đường đi cho các gói tin trong mạng

2.1.1 Distance vector

Thuật toán này dùng thuật toán Bellman-Ford, trong đó chỉ định một con

số, gọi là chi phí (hay trọng số), cho mỗi một liên kết giữa các nút trong mạng Các nút sẽ g i thông tin về đường đi từ điểm A đến điểm B qua các

đường truyền (kết nối) mang lại tổng chi phí thấp nhất (là tổng các chi phí của các kết nối giữa các nút được dùng)

Thuật toán hoạt động với những hành động rất đơn giản Khi một nút khởi động lần đầu, nó chỉ biết các nút kề trực tiếp với nó, và chi phí trực tiếp

để đi đến đó (thông tin, danh sách của các đích, tổng chi phí đến từng đích và bước kế tiếp để g i dữ liệu đến đó tạo nên bảng định tuyến, hay bảng khoảng cách) Mỗi nút, trong một tiến trình, g i đến từng “hàng xóm” tổng chi phí của nó để đi đến các đích mà nó biết Các nút “hàng xóm” phân tích thông tin này, và so sánh với những thông tin mà chúng đang biết, bất kỳ điều gì cải thiện được những thông tin chúng đang có sẽ được đưa vào các bảng định tuyến của những “hàng xóm” này Đến khi kết thúc, tất cả nút trên mạng sẽ tìm ra bước truyền kế tiếp tối ưu đến tất cả mọi đích, và tổng chi phí tốt nhất Khi một trong các nút gặp vấn đề, những nút khác có s dụng nút hỏng này trong lộ trình của mình sẽ loại bỏ những lộ trình đó, và tạo nên thông tin mới của bảng định tuyến Sau đó chúng chuyển thông tin này đến tất cả nút gần kề và lặp lại quá trình trên Cuối cùng, tất cả nút trên mạng nhận được thông tin cập nhật, và sau đó sẽ tìm đường đi mới đến tất cả các đích mà chúng còn tới được

 Ưu điểm: Dễ cấu hình, router không phải x lý nhiều nên không tốn

nhiều dung lượng bộ nhớ và CPU có tốc độ x l nhanh hơn

 Nhược điểm:

Hệ thống metric quá đơn giản (như Rip chỉ là hop-count) dẫn đến việc các tuyến đường được chọn vào bảng định tuyến chưa phải tuyến đường tốt nhất

Vì các gói tin cập nhật được g i theo định kỳ nên một lượng băng thông đáng kể sẽ bị chiếm

Do Router hội tụ chậm, dẫn đến việc sai lệch trong bảng định tuyến gây nên hiện tượng vòng lặp (loop)

2.1.2 Link State

Khi áp dụng các thuật toán trạng thái kết nối, mỗi nút s dụng dữ liệu cơ

sở của nó như là một bản đồ của mạng với dạng một đồ thị Để làm điều này, mỗi nút phát đi tới toàn mạng những thông tin về các nút khác mà nó có thể kết nối được, và từng nút góp thông tin một cách độc lập vào bản đồ S dụng bản đồ này, mỗi nút sau đó sẽ xác định được tuyến đường tốt nhất từ nó đến mọi nút khác

Thuật toán Dijkstra được áp dụng tìm đường đi ngăn nhất, bằng cách xây dựng cấu trúc dữ liệu khác, dạng cây, trong đó nút hiện tại là gốc, và chứa mọi nút khác trong mạng Bắt đầu với một cây ban đầu chỉ chứa chính nó Sau đó lần lượt từ tập các nút chưa được thêm vào cây, nó sẽ thêm nút có chi phí thấp nhất để đến một nút đã có trên cây Tiếp tục quá trình đến khi mọi nút đều được thêm vào cây

Cây này sau đó phục vụ để xây dựng bảng định tuyến, đưa ra bước

truyền kế tiếp tối ưu, … để từ một nút đến bất kỳ nút khác trên mạng

 Ưu điểm:

Có thể thích nghi được với đa số hệ thống, cho phép người thiết kế có

thể thiết kế mạng linh hoạt, phản ứng nhanh với tình huống xảy ra

Do không gởi cập nhật định kỳ như Distance Vector, nên Link State

bảo đảm được băng thông cho các đường mạng

 Nhược điểm: Do router phải x lý nhiều, nên chiếm nhiều bộ nhớ,

tốc độ CPU chậm hơn nên tăng độ trễ Việc s dụng các giao thức định tuyến truyền thống trong mạng VANET sẽ dẫn đến rất nhiều vấn đề trở ngại cần

giải quyết:

Tiêu tốn năng lượng nguồn nuôi cho các cập nhập định kỳ như trong giao thức định tuyến Distance Vector

Tiêu tốn băng thông mạng cho các cập nhập định kỳ

Làm quá tải bộ vi x l của thiết bị: khi các thông tin cập nhật, số nút mạng tăng lên

Tạo ra nhiều đường đi dư thừa

2.1.3 Source routing

Source routing có nghĩa là mỗi gói tin phải mang theo đường dẫn đầy đủ

mà gói tin nên đi trong mạng trong tiêu đề của nó, khi đó các nút trung gian chỉ việc chuyển tiếp các gói tin theo đường dẫn đó Như vậy, việc xác định đường dẫn đầy đủ (định tuyến) được thực hiện tại nút nguồn Ưu điểm của phương pháp này là loại bỏ nhu cầu quảng cáo đường định kỳ, các gói tin phát hiện hàng xóm và nó rất dễ dàng tránh các vòng lặp định tuyến Vấn đề lớn nhất với định tuyến nguồn là khi mạng lớn và đường đi dài, việc đặt toàn

bộ đường trong tiêu đề gói tin sẽ làm lãng phí băng thông

2.1.4 Kỹ thuật Flooding

Nhiều giao thức định tuyến s dụng quảng bá để phân phối thông tin điều khiển, có nghĩa là g i thông tin điều khiển từ nút nguồn gốc cho tất cả các nút khác Một hình thức quảng bá được s dụng rộng rãi là kỹ thuật flooding hoạt động như sau Nút nguồn g i thông tin của nó cho các nút hàng xóm Những nút hàng xóm sẽ chuyển tiếp cho hàng xóm của chúng và cứ tiếp tục như vậy, cho đến khi các gói tin đến được tất cả các nút trong mạng Một nút sẽ chỉ chuyển tiếp một gói một lần và để đảm bảo điều này một số kiểu số thứ tự có thể được s dụng Số thứ tự này được tăng lên khi mỗi gói tin mới được một nút g i

2.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

Do các đặt tính của mạng VANET nên mục tiêu thiết kế điển hình cho các giao thức định tuyến mạng VANET thường bao gồm:

 Thiết lập đường đi chính xác và hiệu quả: Do mạng VANET có cấu trúc mạng thay đổi động nên giao thức định tuyến phải đáp ứng được việc tìm thấy đường đi chính xác và hiệu quả cho gói tin từ nút nguồn đến nút đích

 Thích ứng nhanh khi tô-pô mạng thay đổi: khi các nút mạng di chuyển

nhanh, yêu cầu kết nối tăng lên thì các giao thức hoạt động theo cơ chế tiếp cận tập trung sẽ giảm hiệu quả rõ rệt do phải tốn nhiều thời gian để thu thập thông tin về trạng thái hiện tại và phát tán lại nó Trong khi đó cấu hình mạng

có thể đã thay đổi khác đi rồi

 Đảm bảo hiệu quả trong môi trường truyền khi các nút đứng yên Lúc này tô-pô mạng là cố định không thay đổi nên các giao thức định tuyến chỉ cần g i các cập nhật khi có yêu cầu hoặc mạng thay đổi như việc một nút nào

đó tắt kết nối

 Không có lặp định tuyến: Nếu hiện tượng này xảy ra, một số gói tin có thể được chuyển tiếp quay vòng trong mạng một số lần không xác định, dẫn đến việc tiêu tốn các tài nguyên mạng và có thể gây tắc nghẽn mạng Giải pháp đưa ra là dùng trường TTL (Time To Live) trong mỗi gói tin, giá trị TTL được làm giảm đi một đơn vị khi nút chuyển tiếp gói tin tới một nút mới và khi giảm đến một giá trị quy định nào đó gói tin sẽ bị loại bỏ

 Hỗ trợ liên kết đơn hướng: Trong trường hợp có một số liên kết đơn hướng (simplex link) giữa một số cặp nút mạng liền kề, giao thức định tuyến cần có khả năng tìm được đường đi theo cả 2 chiều giữa 2 nút mạng

 Bảo mật: Việc định tuyến trong mạng VANET có nguy cơ bị tấn công

dễ dàng bằng các phương pháp như xâm nhập đường truyền, phát lại, thay đổi các gói tin tiêu đề, điều hướng các thông điệp định tuyến Do đó khi thiết kế các giao thức định tuyến cần phải có phương pháp để phát hiện được và ngăn chặn các loại tấn công

2.3 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

Các giao thức định tuyến trong mạng Ad Hoc được chia thành 3 loại: Giao thức định tuyến theo bảng ghi (Table-Driven Routing Protocol), giao thức định tuyến điều khiển theo yêu cầu (On-Demand Routing Protocol) và giao thức định tuyến kết hợp (Hybrid Routing Protocol) Tuy nhiên, trong

luận văn tôi chỉ đi sâu tìm hiểu 4 giao thức định tuyến chính trong mạng VANET là DSR, AODV, AOMDV, GPSR

sẽ thực hiện cơ chế phát hiện đường (Route Discovery) bằng cách gởi các gói tin quảng bá Route Request đến các nút lân cận trên toàn bộ mạng Các nút trung gian nhận được gói tin quảng bá sẽ kiểm tra đường đi trong Route Cache Khi đường đi được tìm thấy, gói tin Route Reply sẽ chứa thứ tự các chặng tới đích và được truyền trở lại nguồn