Định tuyến địa lý dựa vào hệ mờ và hướng di chuyển của các phương tiện trong mạng vanet phục vụ cho hệ thống giao thông thông minh báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ad hoc Mạng không dây tùy biến C2I Kết nối giữa trung tâm với ñường CAGR Định tuyến ñịa lý chống tắc nghẽn DSRC Hệ thống thông tin chuyên dụng t

Bé Gi¸o dôc vµ §µo t¹o

TR ƯỜ NG ĐẠ I H Ọ C GIAO THÔNG V Ậ N T Ả I

GIAO THÔNG THÔNG MINH

TP.H ồ Chí Minh, Tháng 02/2020

Mã số: T2019-PHII-012 Chủ nhiệm ñề tài: TS.Võ Trường Sơn Thời gian thực hiện: 01/2019 ñến 02/2020 Ngày viết báo cáo: 20/02/2020

TRÊN CƠ SỞ HỆ MỜ, SỬ DỤNG THÔNG TIN VỀ KHOẢNG CÁCH

VÀ HƯỚNG DI CHUYỂN VÀ XÂY DỰNG HỆ SUY DIỄN MỜ CHO GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN

15

2.2 Giao thức ñịnh tuyến ñịa lý sử dụng thông tin về khoảng cách và hướng

cách và hướng di chuyển

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN ĐƯỢC ĐỀ XUẤT SO VỚI CÁC GIAO THỨC ĐÃ CÓ TƯƠNG ỨNG

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ad hoc Mạng không dây tùy biến

C2I Kết nối giữa trung tâm với ñường

CAGR Định tuyến ñịa lý chống tắc nghẽn

DSRC Hệ thống thông tin chuyên dụng tầm ngắn

RFID Nhận dạng qua tần số vô tuyến

SDH Phân cấp số ñồng bộ

TTL Thời gian sống của gói tin

VANET Mạng không dây tùy biến giữa các phương tiện giao thông

V2I Kết nối giữa phương tiện với các trạm bên ñường

V2V Kết nối giữa các phương tiện trên ñường với nhau

WAN Mạng diện rộng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.3 Phân loại các giao thức ñịnh tuyến trong VANET 14

Hình 2.1 Nút hiện tại và nút lân cận chuyển ñộng ngược chiều nhau 18 Hình 2.2 Sơ ñồ các bước xử lý của giao thức FDGR 19

Hình 3.2 Hàm thuộc của biến ñầu vào F VD(t n) 35 Hình 3.3 Hàm thuộc của biến ñầu vào ∆d CN(t n) 35 Hình 3.4 Hàm thuộc của biến ñầu vào β(t n) 36

Hình 3.6 Tỷ lệ gói tin tới ñích theo mật ñộ phương tiện trên tuyến ñường mô

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Phần mở ñầu

ĐẶ T VẤN ĐỀ

1 Tính cấp thiết của ñề tài:

Hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transport System) ñã và ñang ñược

áp dụng ở nhiều nước trên thế giới, ñặc biệt là các nước như: Mỹ, Nhật Bản, Anh, Úc, … Ở Việt Nam, ITS cũng ñã bắt ñầu ñược nghiên cứu, áp dụng nhằm mục ñích: giảm thiểu tai nạn giao thông, ùn tắc giao thông, ô nhiễm môi trường, giá thành vận chuyển; tăng hiệu quả vận chuyển, tạo ñiều kiện thuận lợi tối ña cho việc ñi lại

Hệ thống giao thông thông minh bao gồm rất nhiều thành phần, hệ thống con khác nhau, từ hệ thống quản lý cơ bản như hệ dẫn hướng xe, hệ tín hiệu ñiều khiển giao thông, trung tâm ñiều khiển, camera kiểm soát tốc ñộ, camera theo dõi lưu lượng,… ñến các hệ thống cao cấp hơn như hệ tích hợp thu thập và xử lý dữ liệu, hệ dữ liệu hướng dẫn chỗ ñậu

xe, hệ dữ liệu thời tiết, các công nghệ về cảm biến phục vụ cho việc thu thập dữ liệu trong giao thông

Trong hệ thống giao thông thông minh, việc kết nối ñể truyền dữ liệu giữa các phương tiện với nhau hoặc giữa phương tiện với các trạm bên ñường ñóng vai trò rất quan trọng Tuy nhiên, các phương tiện giao thông trên các tuyến ñường có tính di ñộng rất cao và có thể di chuyển với tốc ñộ trên 100km/h Do ñó, các loại mạng không dây tùy biến (Ad hoc) hoặc mạng không dây tùy biến di ñộng (MANET) không phù hợp với ñặc ñiểm này Để giải quyết vấn ñề nêu trên, mạng VANET ñang ñược sử dụng rộng rãi cho các kết nối giữa phương tiện với các trạm bên ñường (V2I) và giữa các phương tiện trên ñường với nhau (V2V) Tuy nhiên, các nút trong VANET thường có tầm phủ sóng hạn chế Do ñó, ñể có thể truyền các gói dữ liệu giữa các nút ở cách xa nhau, cần phải thực hiện chuyển tiếp các gói ñó thông qua các nút trung gian Các thuật toán ñịnh tuyến cho mạng VANET ñược sử dụng ñể lựa chọn các nút trung gian phù hợp

Trên thế giới ñã có nhiều nghiên cứu về các thuật toán ñịnh tuyến trong mạng VANET

Có thể chia các thuật toán này thành hai nhóm là ñịnh tuyến theo cấu trúc hình học (topo)

hay còn ñược gọi lai ñịnh tuyến theo ñồ hình mạng và ñịnh tuyến theo vị trí ñịa lý [1, 2]

Định tuyến dựa trên cấu trúc hình học sử dụng thông tin về các liên kết hoặc trạng thái liên

kết tồn tại trong mạng ñể thực hiện chuyển tiếp gói tin Định tuyến theo ñịa lý sử dụng thông tin vị trí thực tế của các nút lân cận ñể thực hiện ñịnh tuyến Vì thông tin liên kết thay ñổi một cách thường xuyên trong các VANET nên việc ñịnh tuyến dựa trên cấu trúc hình học có thể bị ảnh hưởng bởi sự gián ñoạn của tuyến ñường Do ñó, ña số các giao thức ñịnh tuyến

ñang ñược áp dụng cho VANET ñều dựa trên yếu tố ñịa lý thay vì dựa trên cấu trúc hình học

[1] Tuy nhiên, mỗi giao thức ñịnh tuyến ñịa lý trên ñều có những hạn chế nhất ñịnh Giao thức ñịnh tuyến GPSR ñã ñược hai tác giả Brad Karp và H T Kung ñề xuất tại [3] GPSR sử dụng thông tin về vị trí của các bộ ñịnh tuyến và ñích ñến của gói tin ñề ñưa ra quyết ñịnh chuyển tiếp Tuy nhiên, giao thức này không phù hợp với ñiều kiện mật ñộ giao thông không

ñồng ñều Trong nghiên cứu [4], Christian Lochert và các cộng sự ñã giới thiệu cách thức ñịnh tuyến theo vị trí có thể ñược thực hiện trong môi trường ñô thị mà không cần giả ñịnh

rằng các nút có quyền truy cập vào một bản ñồ toàn cầu tĩnh Trong nghiên cứu này, các tác giả ñã sử dụng khái niệm các nút giao nhau ñể bám theo các ñoạn ñường kế tiếp làm căn cứ

ñịnh tuyến các gói dữ liệu Tuy nhiên, ý tưởng nút giao nhau là một vấn ñề và khó ñể duy trì

Do ñó, thuật toán này chỉ phù hợp với môi trường ñô thị Boon-Chong Seet và các cộng sự ñã

ñề xuất một giao thức ñịnh tuyến cho mạng tùy biến di ñộng dành cho các phương tiện trong

môi trường ñô thị và ñược gọi là A-STAR [5] A-STAR sử dụng thông tin từ các tuyến xe buýt trong các ñô thị ñể xác ñịnh hướng chuyển tiếp các gói tin Tuy nhiên, cơ chế này có thể chọn ñược tuyến không tốt nhất, dẫn ñến ñộ trễ cao Giao thức ñịnh tuyến PDGR ñã ñược các tác giả Jiayu Gong và các cộng sự ñề xuất ở [6] PDGR thực hiện chuyển tiếp các gói dữ liệu dựa trên ñặc tính di chuyển hiện tại và trong tương lai của phương tiện Tuy nhiên nghiên cứu này ñã không xem xét ñến ñặc tính tự nhiên không tin cậy của kênh vô tuyến cũng như việc ngắt kết nối một nút mang gói tin với các nút lân cận Trong [7], hai tác giả Boangoat Jarupan và Eylem Ekici ñã ñề xuất một giao thức truyền dữ liệu V2I ñể chuyển tiếp các gói tin một cách hiệu quả với ñộ trễ thấp Tuy nhiên, giao thức này tính toán trên các kênh vô tuyến giữa các phương tiện trong ñiều kiện lý tưởng và ñiều này là không phù hợp với thực tế

Điểm chung của tất cả các giao thức ñịnh tuyến nói trên là ñều xem xét các kênh vô tuyến

trong ñiều kiện lý tưởng mà không lưu ý ñến các hiện tượng che khuất và các loại fading khác nhau

Một giao thức định tuyến địa lý nâng cao cĩ tên là PGR được đề xuất tại [8] Giao thức này giúp tăng cường chiến lược chuyển tiếp các gĩi dữ liệu thơng qua các phương pháp

dự đốn, làm giảm số nút trung gian chuyển tiếp các gĩi tin trong khi vẫn duy trì được tỷ lệ chuyển gĩi tin tới đích tương đối cao Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, việc định tuyến tại giao lộ của thuật tốn này khơng chọn được tuyến tối ưu Trong [9], N.V Dharani Kumari và B.S Shylaja đã đề xuất một giao thức định tuyến AMGRP dựa trên việc xem xét, phân tích nhiều tiêu chí định tuyến như số liệu di động, tuổi thọ liên kết, mật độ nút và trạng thái nút như là những yếu tố quan trọng để tính tốn định tuyến Tuy nhiên, thuật tốn này chỉ áp dụng cĩ hiệu quả cho mơi trường đơ thị Một thuật tốn hướng di chuyển cho giao thức GPSR đã được V Phouthone và các cộng sự đề xuất tại [10] Thuật tốn này xem xét một cách tồn diện thơng tin vectơ vận tốc và thời gian hết hạn của liên kết để tính tốn hướng di chuyển Các kết quả mơ phỏng ở nhiều kịch bản mức khác nhau các cho thấy rằng thuật tốn

được đề xuất đã chuyển tiếp các gĩi tin tốt hơn và giảm độ trễ đáng kể so với các thuật tốn định tuyến địa lý trước đĩ Tuy nhiên, thuật tốn này chỉ phù hợp với các loại dịch vụ được đáp ứng theo kiểu tùy khả năng (best effort) và với điều kiện mật độ thấp

Khác với các nghiên cứu nêu trên, [1] đã đề xuất giao thức định tuyến SRR, theo đĩ giao thức này thực hiện việc chuyển tiếp các gĩi tin tới đích với độ tin cậy và ổn định cao SRR kết hợp logic mờ với định tuyến địa lý khi ra quyết định chuyển tiếp các gĩi tin Các số liệu đầu vào bộ định tuyến SRR là hướng và khoảng cách được cung cấp cho hệ mờ để xác

định nút kế tiếp thích hợp nhất cho việc chuyển tiếp gĩi dữ liệu Sau đĩ, tác giả sử dụng một

cơ chế lưu trữ tạm (cache) các gĩi dữ liệu một khi mạng bị mất kết nối và sau đĩ quay về SRR khi phương tiện được kết nối trở lại Tuy nhiên nghiên cứu này chỉ quan tâm tới khoảng cách và hướng tương đối từ nút hiện tại tới nút lân cận so với từ nút hiện tại tới đích mà khơng quan tâm tới hướng di chuyển tương đối giữa nút hiện tại và nút lân cận Điều này dẫn

đến quyết định lựa chọn nút trung gian thiếu chính xác, thậm chí cĩ thể gây mất gĩi tin khi

nút trung gian di chuyển ra khỏi vùng phủ sĩng của nút hiện tại Trong [2], các tác giả cũng

đề xuất giao thức định tuyến địa lý CAGR dựa vào logic mờ tương tự như [1] đồng thời đưa

thêm cơ chế chống tắc nghẽn cho các nút trung gian vào hệ suy diễn mờ Tuy nhiên, tương tự như SRR, CAGR cũng khơng quan tâm tới hướng di chuyển tương đối giữa nguồn và nút lân cận

Ở trong nước, ñã có một số nghiên cứu về các giao thức ñịnh tuyến trong mạng

VANET Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ tập trung vào việc ñánh giá, so sánh các giao thức ñã có từ kết quả của các công trình nghiên cứu nước ngoài mà không có ñề xuất giao thức ñịnh tuyến ñịa lý mới Các ñề xuất giao thức mới ñều tập trung vào các giao thức dựa trên cấu trúc hình học của mạng Trong [V1], tác giả ñã ñề xuất một giao thức ñịnh tuyến mới có tên là Giao thức ñịnh tuyến dựa trên hướng di chuyển của phương tiện (Vehicle-Heading based Routing Protocol - VHRP) Tuy nhiên, VHRP lại là loại giao thức dựa vào cấu trúc hình học Trong nghiên cứu [V2], tác giả Đỗ Đình Cường ñã nghiên cứu ñể cải tiến hiệu năng giao thức ñịnh tuyến AODV và AOMDV trong mạng MANET Tuy nhiên, AODV

và AOMDV cũng là hai giao thức dựa trên cấu trúc hình học và các nghiên cứu này cũng chỉ

áp dụng cho mạng MANET mà không áp dụng ñược cho VANET một cách có hiệu quả

Có thể thấy rằng, các nghiên cứu ñược ñề cập ở trên ñều chưa sử dụng thông tin di chuyển tương ñối của các phương tiện làm số liệu ñầu vào thuật toán ñịnh tuyến, do ñó kết quả ñịnh tuyến thường thiếu chính xác, thậm chí có thể gây mất gói dữ liệu Bên cạnh ñó, kênh truyền trong VANET là kênh vô tuyến, chịu ảnh hưởng nhiều bởi các hiện tượng che khuất, fading, khó biểu diễn dưới dạng các mô hình toán học tường minh Hệ suy diễn mờ có

ưu thế trong việc giải quyết các loại bài toán thiếu tường minh này Do ñó, việc sử dụng

thông tin di chuyển tương ñối của các phương tiện với nhau kết hợp với cơ cấu suy diễn mờ

ñể tính toán ñịnh tuyến trong VANET sẽ làm cho kết quả ñịnh tuyến chính xác hơn, hoạt ñộng ñịnh tuyến sẽ hiệu quả hơn Tỷ lệ chuyển gói tới ñích tăng lên và thời gian chuyển gói ñến ñích giảm xuống

Đề tài này ñề xuất một thuật toán ñịnh tuyến ñịa lý mới Thuật toán này dựa vào cơ

cấu suy diễn mờ và sử dụng thông tin về khoảng cách cùng hướng di chuyển tương ñối của các phương tiện ñể thực hiện chuyển tiếp các gói dữ liệu ñến ñích

2 Mục ñích nghiên cứu của ñề tài

Mục ñích tổng thể của ñề tài là nghiên cứu thuật toán ñịnh tuyến các gói dữ liệu dựa vào yếu tố ñịa lý trong mạng VANET, ứng dụng cho hệ thống giao thông thông minh ITS Trong ñó, mục tiêu cụ thể là:

- Nghiên cứu áp dụng logic mờ ñồng thời sử dụng thông tin khoảng cách và hướng di chuyển tương ñối giữa các phương tiện ñể ñịnh tuyến các gói dữ liệu trong mạng VANET

- Mô phỏng phương pháp ñịnh tuyến dưới các ñiều kiện của kênh vô tuyến và sự di chuyển của các phương tiện theo thực tế, ñánh giá và so sánh với các nghiên cứu ñã có trước

ñây ñể chứng minh tính hiệu quả của giao thức ñề xuất

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

Đề tài phân tích ưu ñiểm và nhược ñiểm của các giải pháp ñịnh tuyến ñã có trong

mạng VANET Căn cứ vào các phân tích ñó, tác giả ñề xuất áp dụng một hệ mờ mới và sử dụng thông tin về khoảng cách cùng hướng di chuyển tương ñối của các phương tiện ñể thực hiện chuyển tiếp các gói dữ liệu ñến ñích nhằm có ñược phương pháp ñịnh vị mới trong mạng VANET với chất lượng tốt hơn Kết quả nghiên cứu ñược kiểm chứng thông qua các chương trình ñược viết trên môi trường Matlab ñể chứng minh rằng các ñề xuất của ñề tài là

ñáng tin cậy

Thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng ñang ñẩy mạnh phát triển hệ thống giao thông thông minh Trong hệ thống này, việc truyền tin kịp thời và chính xác giữa các phương tiện trên ñường và giữa phương tiện với các trạm bên ñường là hết sức quan trọng, ñảm bảo

sự vận hành thông suốt của toàn hệ thống, ñảm bảo sự an toàn cho con người và phương tiện khi di chuyển trên ñường Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ ñóng góp thêm giải pháp khoa học nhằm giải quyết bài toán thực tiễn này

4 Nội dung của ñề tài

Trên cơ sở các thuật toán ñịnh tuyến trong mạng VANET ñã có, ñề tài phân tích các

ưu và nhược ñiểm của các thuật toán này ñồng thời ñề xuất sử dụng thêm thông tin di chuyển

của các phương tiện và áp dụng hệ suy diễn mờ mới ñể ñịnh ñịnh tuyến các gói dữ liệu nhằm

có ñược thuật toán tốt hơn

Phương pháp nghiên cứu là tổng hợp lý thuyết kết hợp với sự phân tích, kế thừa có chọn lọc kết quả của các nghiên cứu ñã có trước ñây ñể xây dựng thuật toán ñịnh tuyến mới

có hiệu quả hơn Kiểm chứng kết quả bằng mô phỏng Việc sử dụng phần mềm mô phỏng sẽ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với việc triển khai thực nghiệm kết quả nghiên cứu của

ñề tài Đề tài bao gồm Phần mở ñầu, ba chương, Kết luận và kiến nghi và phần Phụ lục Nội

dung cụ thể như sau:

- Phần mở ñầu: Đặt vấn ñề

- Chương I: Tổng quan về hệ thống giao thông thông minh và mạng VANET

- Chương II: Xây dựng phương pháp ñịnh tuyến ñịa lý trên cơ sở hệ mờ, sử dụng thông tin về khoảng cách và hướng di chuyển và xây dựng hệ suy diễn mờ cho giao thức ñịnh tuyến

- Chương III: Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống và ñánh giá kết quả hoạt ñộng của giao thức ñịnh tuyến ñược ñề xuất so với các giao thức ñã có tương ứng

- Kết luận và kiến nghị

Cuối cùng, phần phụ lục là tập hợp các ñoạn chương trình viết trên môi trường Matlab,

ñược sử dụng ñể mô phỏng các nghiên cứu của ñề tài

ñịnh tuyến trong mạng VANET

1.1. Hệ thống giao thông thông minh

Hệ thống giao thông thông minh ITS là hệ thống mà trong ñó các kỹ thuật công nghệ bao gồm các thiết bị cảm biến, ñiều khiển ñiện tử, tin học và viễn thông ñược ứng dụng trong lĩnh vực giao thông ñể ñiều hành và quản lý hệ thống giao thông vận tải

ITS là công nghệ mới phát triển trên thế giới, ñược sử dụng ñể giải quyết các vấn ñề của giao thông ñường bộ ITS sử dụng các tiến bộ của công nghệ thông tin và viễn thông ñể liên kết giữa con người, hệ thống ñường giao thông và phương tiện giao thông lưu thông trên

ñường thành một mạng lưới thông tin và viễn thông phục vụ cho việc lưu thông tối ưu trên ñường cao tốc nhằm giảm tai nạn, ùn tắc giao thông và ô nhiễm môi trường

Kiến trúc vật lý của Hệ thống giao thông thông minh bao gồm các khối sau (Hình 1.1):

- Khối trung tâm: bao gồm các hệ thống có chức năng phân tích, xử lý và cung cấp thông tin cho người dùng như lái xe, cơ quan quản lý, công an, cứu hộ, y tế…và lưu trữ thông tin

- Khối ñường: Bao gồm các hệ thống cần thiết ñược lắp ñặt trên ñường hoặc bên

ñường Các thiết bị này thực hiện chức năng thu thập, phân tích và cung cấp các thông tin

liên quan ñến ñường cho phương tiện và người ñiều khiển phương tiện

- Khối phương tiện: Bao gồm các hệ thống ñược lắp ñặt trên phương tiện nhằm kiểm soát hoạt ñộng của phương tiện; thu thập dữ liệu liên quan ñến phương tiện và thu thập, cung cấp thông tin cho người ñiều khiển phương tiện,

- Khối người tham gia giao thông: bao gồm các hệ thống có liên quan ñến người dùng

ñược lắp ñặt tại nhà, cơ quan và khu công cộng

- Khối kết nối truyền thông: làm nhiệm vụ kết nối, truyền dữ liệu Có bốn loại kênh kết nối truyền thông trong ITS, bao gồm:

Hình 1.1 Kiến trúc vật lý của ITS

Kết nối giữa trung tâm với ñường (C2I), thông qua các hệ thống thông tin cố ñịnh như SDH, mạng diện rộng (WAN), mạng ñô thị (MAN) cùng với việc sử dụng các ñường truyền vật lý băng thông rộng như cáp sợi quang, vệ tinh, vi ba số

Kết nối giữa xe và ñường (V2I), thông qua các hệ thống thông tin chuyên dụng tầm ngắn (DSRC), một số trường hợp có thể sử dụng công nghệ RFID;

Kết nối giữa xe và xe (V2V), thông qua các hệ thống thông tin chuyên dụng tầm ngắn (DSRC);

Kết nối giữa người tham gia giao thông và trung tâm, thông qua các hệ thống thông tin vô tuyến phổ biến như mạng LAN không dây, mạng thông tin vô tuyến tế bào

Trong bốn loại kết nối truyền thông nói trên, chỉ có kết nối giữa trung tâm với ñường

sử dụng công nghệ truyền thông cố ñịnh Các kết nối còn lại sử dụng công nghệ truyền thông

di ñộng

Như vậy, các công nghệ truyền thông di ñộng sử dụng trong ITS bao gồm:

- Công nghệ mạng LAN không dây, ñược sử dụng cho kết nối giữa người tham gia giao thông và trung tâm

- Công nghệ RFID, ñược sử dụng cho kết nối giữa xe với ñường

- Công nghệ thông tin vô tuyến tế bào, ñược sử dụng cho kết nối giữa người tham gia giao thông và trung tâm

- Công nghệ thông tin chuyên dụng tầm ngắn DSRC, ñược sử dụng cho kết nối giữa

xe với ñường và kết nối giữa xe với xe Công nghệ này ñược sử dụng một loại mạng LAN không dây tùy biến ñặc biệt ñược gọi là mạng VANET

1.2. Mạng VANET

VANET (Vehicular Ad-hoc Networks) là một loại mạng LAN không dây tùy biến ñặc biệt mà trong ñó các phương tiện khi tham gia giao thông ñược trang bị một thiết bị ñể thu/phát tín hiệu vô tuyến với các phương tiện lân cận hoặc các trạm ñặt bên ñường Hình 1.2 biểu diễn một mô hình mạng VANET Có thể thấy rằng, VANET là một loại mạng tùy biến

di ñộng (Mobile ad-hoc Networks, MANET) quy mô lớn với các nút mạng là các xe di

chuyển trên ñường và các trạm cố ñịnh ñặt bên ñường Đặc ñiểm của VANET là các nút có tính di ñộng cao, nhiều loại tốc ñộ, các ứng dụng có tính chất thời gian thực và các nút có xu hướng di chuyển theo một hình thức có tổ chức như các tuyến ñường

Mạng VANET có hai thành phần cơ bản là thiết bị gắn trên xe (On Board Unit, OBU)

và thiết bị gắn bên ñường (Road-Side Unit, RSU) OBU là một thiết bị mạng không dây ñược gắn trên các xe ñang tham gia giao thông và ñược kết nối với các OBU khác và RSU RSU là một thiết bị mạng ñược lắp ñặt trên cơ sở hạ tầng bên ñường như các trụ ñèn chiếu sáng và các biển báo giao thông.v.v…nhằm kết nối các xe ñang di chuyển với mạng truy cập và từ ñó

nó ñược kết nối với trung tâm Kết nối truyền thông trong VANET có thể ñược chia thành hai loại chính

(1) Truyền thông giữa hai xe (V2V): là truyền thông giữa hai OBU với nhau, chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng an toàn và ứng dụng quản lý giao thông, trong ñó quan trọng nhất

là ứng dụng an toàn Đây là các ứng dụng thời gian thực và cần mức ưu tiên cao

(2) Truyền thông giữa xe với ñường (V2I): là truyền thông giữa OBU và RSU nhằm trao ñổi dữ liệu và thông tin ñiều khiển với nhau Mỗi RSU ñược kết nối với mạng diện rộng thông qua loại công nghệ mạng cáp hoặc mạng không dây như mạng thông tin di ñộng tế bào, WiMAX

VANET có rất nhiều ứng dụng Có thể chia các ứng dụng này thành các loại sau:

Hình 1.2 Mô hình mạng VANET

(1) Các ứng dụng an tồn giao thơng, là các ứng dụng được sử dụng để chia sẻ thơng tin giữa các xe với nhau hoặc giữa các xe với các RSU để đảm bảo an tồn cho các xe khi tham gia giao thơng Các ứng dụng này mang ý nghĩa thiết thực nhất của hệ thống giao thơng thơng minh Một số ứng dụng an tồn giao thơng điển hình như cảnh báo va chạm, cảnh báo tốc độ đường cong, cảnh báo chuyển làn, cảnh báo vi phạm tín hiệu điều khiển giao thơng.v.v

(2) Ứng dụng quản lý giao thơng, được sử dụng để cung cấp thơng tin cục bộ và cập nhật bản đồ nhằm nâng cao sự phối hợp và hiệu quả của hệ thống giao thơng Một số ứng dụng quản lý giao thơng như hướng dẫn đường đi, thu phí, thanh tốn phí đỗ xe, thanh tốn xăng dầu.v.v…

(3) Ứng dụng thơng tin giải trí, là các ứng dụng cĩ liên quan đến việc truy cập Internet truyền thống như các dịch vụ cộng đồng và các dịch vụ thương mại

Mạng VANET cĩ các đặc tính cơ bản sau:

Thứ nhất, do tính di động cao của xe (tốc độ lên đến 200 km/h) nên VANET cĩ cấu trúc hình học mạng thay đổi nhanh chĩng và cĩ thể dự đốn được Điều này làm các liên kết truyền thơng giữa hai xe thường chỉ tồn tại trong một thời gian ngắn ngắn Tuy nhiên, chuyển

động của các xe được giới hạn trên các tuyến đường nên sự chi chuyển trong tương lai của

một xe nào đĩ là cĩ thể dự đốn được

Thứ hai, sự phân mảnh mạng thường xảy ra Trong giai đoạn đầu triển khai VANET, chỉ cĩ một số ít xe tham gia giao thơng được trang bị các OBU Điều này dẫn đến sự phân mảnh mạng thường xuyên, làm cho một số phần của mạng khơng được kết nối với tồn mạng Thậm chí, ngay cả khi một VANET được triển khai đầy đủ, sự phân mảnh vẫn cĩ thể xảy ra ở khu vực nơng thơn hoặc trong những lúc mà mật độ giao thơng thấp

Thứ ba, việc kết nối giữa các nút chỉ tồn tại trong thời gian ngắn làm cho phạm vi địa

lý của VANET là nhỏ Do đĩ, một nút mạng khơng thể duy trì cấu trúc hình học tồn mạng

Điều này gây ra các khĩ khăn khi áp dụng các thuật tốn định tuyến đã cĩ từ trước cho

VANET

Thứ tư, cơ chế dự phịng bị hạn chế Với các dịch vụ đặc biệt như an tồn giao thơng, việc dự phịng là rất quan trọng Vì các liên kết giữa các nút khĩ tồn tại trong một khoảng

thời gian ñủ dài nên rất khó thực hiện các hình thức dự phòng Do vậy, trong VANET, cơ chế

dự phòng bị giới hạn cả về thời gian và chức năng

Thứ năm, thách thức về bảo mật Để ñạt ñược sự ñồng thuận trong việc triển khai các VANET, cần phải ñảm bảo bí mật các thông tin cá nhân của người lái xe Chẳng hạn, tâm lý của người lái xe là không muốn hỗ trợ VANET nếu sự di chuyển của họ ñược ghi lại Ngoài

ra, một VANET yêu cầu mức ñộ bảo mật cao Nếu không ñược bảo mật tốt, các dữ liệu giả mạo có thể ñược những kẻ tấn công ñưa vào hệ thống Điều này có thể dẫn ñến việc thay ñổi luồng giao thông, thậm chí là sự hỗn loạn trong hệ thống giao thông hoặc gây ra các tai nạn

1.3. Các phương pháp ñịnh tuyến trong VANET

Có rất nhiều giao thức ñịnh tuyến ñã ñược phát triển cho MANET Tuy nhiên, nhiều giao thức trong số ñó không áp dụng ñược cho VANET do loại mạng này có nhiều ñiểm ñặc biệt Nghiên cứu [13] ñã chỉ rõ các ñặc ñiểm này:

Thứ nhất, VANET là mạng có cấu trúc hình học ñộng do các phương tiện di chuyển với tốc ñộ cao Trên ñường cao tốc, các phương tiện có thể di chuyển với tốc ñộ hơn 90 km/h (25 m/s) Nếu phạm vi của kết nối vô tuyến là 250 m thì kết nối giữa hai phương tiện chỉ kéo dài tối ña 10 giây

Thứ hai, do có cấu trúc hình học ñộng nên kết nối mạng thường xuyên bị ngắt vì liên kết vô tuyến giữa hai phương tiện có thể biến mất một cách nhanh chóng trong khi hai nút vẫn ñang truyền thông tin cho nhau Vấn ñề càng trở nên nghiêm trọng khi mật ñộ các nút trên các tuyến ñường không ñồng nhất Những tuyến ñường có mật ñộ phương tiện giao thông cao sẽ có nhiều nút hơn so với những tuyến ñường có mật ñộ phương tiện giao thông thấp Ngoài ra, trên cùng một tuyến ñường, tại các thời ñiểm khác nhau (giờ cao ñiểm, giờ thấp ñiểm) sẽ có mật ñộ giao thông khác nhau và dẫn ñến số lượng nút khác nhau Một giao thức ñịnh tuyến hiệu quả cần nhận ra sự ngắt kết nối thường xuyên và cung cấp một liên kết thay thế nhanh chóng ñể ñảm bảo liên lạc không bị gián ñoạn

Thứ ba, sự di chuyển của các phương tiện tuân theo một hình mẫu nhất ñịnh vì ñó là một hàm phụ thuộc vào tuyến ñường, ñèn tín hiệu giao thông, giới hạn tốc ñộ, tình trạng giao thông và hành vi của các lái xe

Thứ tư, mô hình truyền sóng trong VANET không ñược giả thiết là không gian tự do

do sự xuất hiện của các vật chắn như các tòa nhà cao tầng, cây cối và các phương tiện giao thông khác Mô hình truyền sóng trong VANET nên xem xét ảnh hưởng của các vật thể ñứng

tự do cũng như ảnh hưởng của nhiễu từ các kết nối không dây của các phương tiện khác hoặc của các ñiểm truy cập cá nhân ñang tồn tại một cách rộng rãi như hiện nay

Thứ năm, năng lượng và bộ nhớ không bị giới hạn Các nút trong VANET không bị giới hạn về năng lượng và dung lượng lưu trữ như trong các mạng cảm biến, một loại mạng tùy biến không dây khác Các nút ñược coi là có năng lượng và năng lực tính toán dồi dào

Do ñó, tối ưu hóa hiệu suất không phải là vấn ñề cần quan tâm trong mạng VANET như trong mạng cảm biến

Thứ sáu, các cảm biến có sẵn (On-board Sensors) Các nút ñược giả thiết ñã ñược trang bị các cảm biến ñể cung cấp các thông tin hữu ích phục vụ cho mục ñích ñịnh tuyến Nhiều giao thức ñịnh tuyến VANET giả ñịnh ñã có sẵn bộ GPS từ hệ thống dẫn ñường (Navigation system) Thông tin vị trí từ bộ GPS và thông tin về tốc ñộ từ ñồng hồ tốc ñộ là hai ví dụ ñiển hình trong số rất nhiều thông tin có thể thu thập ñược từ các cảm biến, ñược sử dụng ñể hỗ trợ các quyết ñịnh ñịnh tuyến

Một giao thức ñịnh tuyến quyết ñịnh cách ñể hai nút mạng trao ñổi thông tin với nhau;

nó bao gồm các thủ tục thiết lập một tuyến ñường, quyết ñịnh chuyển tiếp và hành ñộng ñể duy trì tuyến ñường hoặc khôi phục từ sự cố ñịnh tuyến Tóm tắt các giao thức ñịnh tuyến trong VANET ñược trình bày chi tiết tại [13] và sự phân loại các giao thức này ñược biểu diễn trên Hình 1.3 [13] Theo ñó, các giao thức ñịnh tuyến trong VANET ñược chia làm hai nhóm: (1) ñịnh tuyến theo cấu trúc hình học (topology-based), cũng có thể ñược gọi là theo cấu trúc liên kết và (2) ñịnh tuyến theo vị trí ñịa lý (position-based), còn gọi là ñịnh tuyến ñịa

lý

Định tuyến dựa trên cấu trúc hình học sử dụng thông tin về các liên kết hoặc trạng thái

liên kết tồn tại trong mạng ñể thực hiện chuyển tiếp gói tin Định tuyến ñịa lý sử dụng thông tin vị trí các nút lân cận thực tế ñể xác ñịnh tuyến chuyển tiếp Vì thông tin về liên kết giữa các nút thay ñổi một cách thường xuyên trong các VANET nên việc ñịnh tuyến dựa trên cấu trúc hình học có thể bị ảnh hưởng bởi sự gián ñoạn của tuyến ñường

Trong ñịnh tuyến ñịa lý, quyết ñịnh chuyển tiếp của nút hiện tại chủ yếu ñược thực hiện dựa trên vị trí của nút ñích của gói tin và vị trí của các nút lân cận với nút hiện tại Nói cách khác, tuyến ñường ñược xác ñịnh dựa trên vị trí ñịa lý của các nút lân cận khi cần chuyển tiếp gói mà không cần trao ñổi trạng thái liên kết hay thiết lập trước tuyến ñường [13] Có thể thấy rõ ưu ñiểm của các giao thức ñịnh tuyến ñịa lý khi các nút có tính ñộng cao như trong trường hợp các phương tiện di chuyển trên các tuyến ñường Do ñó, ñề tài này lựa chọn ñịnh tuyến ñịa lý làm hướng nghiên cứu, ñề xuất giao thức ñịnh tuyến mới

1.4. Kết luận chương I

Chương I ñã trình bày khái quát các vấn ñề cơ bản về ñối tượng nghiên cứu trong ñề tài này Theo ñó, ba nội dung chính ñược trình bày trong chương là hệ thống giao thông thông minh, mạng VANET và vấn ñề ñịnh tuyến trong mạng VANET nói chung

Chương II sẽ trình bày cụ thể về phương pháp ñịnh tuyến ñịa lý trong mạng VANET,

ñề xuất phương pháp ñịnh tuyến ñịa lý trên cơ sở hệ mờ, sử dụng thông tin về khoảng cách

và hướng di chuyển ñồng thời xây dựng hệ suy diễn mờ cho giao thức ñịnh tuyến ñược xuất

Hình 1.3 Phân loại các giao thức ñịnh tuyến trong VANET [13]

Chương II

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TUYẾN ĐỊA LÝ TRÊN CƠ SỞ

HỆ MỜ, SỬ DỤNG THÔNG TIN VỀ KHOẢNG CÁCH VÀ HƯỚNG

DI CHUYỂN VÀ XÂY DỰNG HỆ SUY DIỄN MỜ CHO GIAO THỨC

ĐỊNH TUYẾN

Chương I ñã trình bày khái quát các vấn ñề cơ bản của ñề tài bao gồm hệ thống giao thông thông minh, mạng VANET và vấn ñề ñịnh tuyến trong mạng VANET nói chung Chương này sẽ trình bày cụ thể về phương pháp ñịnh tuyến ñịa lý trong mạng VANET, ñề xuất phương pháp ñịnh tuyến ñịa lý trên cơ sở hệ mờ, sử dụng thông tin về khoảng cách và hướng di chuyển (FDGR) ñồng thời xây dựng hệ suy diễn mờ cho giao thức ñịnh tuyến FDGR

2.1. Định tuyến ñịa lý trong mạng VANET

Như ñã trình bày tại chương I, một giao thức ñịnh tuyến quyết ñịnh cách ñể hai nút mạng trao ñổi thông tin với nhau Trong VANET có hai loại giao thức ñịnh tuyến là ñịnh tuyến theo cấu trúc hình học và ñịnh tuyến theo vị trí ñịa lý [13] Trong ñịnh tuyến ñịa lý, quyết ñịnh chuyển tiếp của nút hiện tại chủ yếu ñược thực hiện dựa trên vị trí của nút ñích của gói tin và vị trí của các nút lân cận với nút hiện tại Vị trí của nút ñích ñược nút nguồn chèn vào phần mào ñầu (Header) của gói tin Vị trí của các nút lân cận có ñược nhờ vào các gói tin dẫn ñường (Beacon) ñược phát ñịnh kỳ với ñộ trễ ngẫu nhiên ñể tránh va chạm Các nút nằm trong vùng phủ sóng vô tuyến của một nút A nào ñó sẽ trở thành nút lân cận của nút

A Định tuyến ñịa lý giả ñịnh mỗi một nút biết ñược vị trí của nó ñồng thời nút nguồn biết vị trí của nút ñích bằng cách sử dụng các thiết bị ñịnh vị toàn cầu (GPS) Vì các giao thức ñịnh tuyến ñịa lý không trao ñổi thông tin trạng thái liên kết và không duy trì các tuyến ñường ñã

ñược thiết lập như các phương pháp ñịnh tuyến dựa vào cấu trúc hình học nên phương pháp

này phù hợp hơn cho các môi trường có tính ñộng cao như VANET Nói cách khác, tuyến

ñường ñược xác ñịnh dựa trên vị trí ñịa lý của các nút lân cận khi cần chuyển tiếp gói mà

không cần trao ñổi trạng thái liên kết hay thiết lập trước tuyến ñường [13] Do ñó các giao thức ñịnh tuyến ñịa lý ñược coi là “không tĩnh” và một nút không cần quan tâm về mối liên

hệ giữa vị trí của nó với tuyến ñường từ nút nguồn tới nút ñích Quyết ñịnh chuyển tiếp gói tin của một nút chỉ dựa trên việc lựa chọn ñúng nút lân cận kế tiếp Có thể thấy rõ ưu ñiểm của các giao thức ñịnh tuyến ñịa lý khi các nút có tính ñộng cao như trong trường hợp các phương tiện di chuyển trên các tuyến ñường

Như ñược thể hiện trên Hình 1.3, các giao thức ñịnh tuyến ñịa lý ñược chia làm ba

nhóm: (1) nhóm không chấp nhận trễ (non-Delay Tolerant Network, non-DTN), (2) nhóm chấp nhận trễ (Delay Tolerant Network, DTN) và (3) nhóm lai (Hybrid) Các giao thức non-DTN không xem xét ñến tình huống kết nối không liên tục và chỉ thực tế trong các VANET ở khu dân cư ñông ñúc Ngược lại, các giao thức DTN xem xét cả trường hợp bị mất kết nối Tuy nhiên, chúng ñược thiết kế theo quan ñiểm rằng các mạng bị ngắt kết nối theo mặc ñịnh Các giao thức lai kết hợp cả non-DTN và DTN ñể khai thác phần kết nối mạng

Các phương pháp SRR trong nghiên cứu [1] và CAGR trong nghiên cứu [2] là mối quan tâm ñặc biệt của nghiên cứu này vì giao thức ñược ñề xuất cũng sử dụng hệ mờ, thông tin về khoảng cách, thông tin về mức ñộ chiếm dụng bộ nhớ ñệm cũng ñược sử dụng ñể ñưa

ra các quyết ñịnh lựa chọn nút lân cận làm nút kế tiếp Trong [1], K.Z Ghafoor và các cộng

sự ñã ñề xuất giao thức ñịnh tuyến SRR SRR kết hợp logic mờ với ñịnh tuyến ñịa lý khi thực hiện các quyết ñịnh chuyển tiếp gói tin Các số liệu ñầu vào là hướng và khoảng cách ñược

hệ suy diễn mờ sử dụng ñể ra quyết ñịnh lựa chọn nút lân cận thích hợp nhất trong số các nút lân cận Nghiên cứu này cũng ñề xuất một cơ chế lưu trữ dữ liệu tại một bộ nhớ tạm một khi kết nối mạng của nút bị ngắt và sau ñó chuyển trở về trạng thái SRR khi nút ñược kết nối trở lại Mật ñộ phương tiên giao thông ñược sử dụng làm ñầu vào ñể dự báo tình trạng kết nối

mạng bị ngắt [1] SRR cũng ñược so sánh với các giao thức phổ biến trong Hình 1.3 là GPCR

(Greedy Perimeter Coordinator Routing), ñại diện cho nhóm ñịnh tuyến ñịa lý và DSR (Dynamic Source Routing) ñại diện cho nhóm ñịnh tuyến theo cấu trúc liên kết Kết quả so sánh cho thấy SRR ñã có những cải tiến ñáng kể so với các giao thức GPCR và DSR, ñặc biệt là trong ñiều kiện mật ñộ giao thông dày ñặc Đề xuất của [1] thuộc nhóm DTN vì giao thức này xử lý ñược cả khi mật ñộ phương tiện giao thông thấp và cao Khi nút có liên kết vô tuyến với các nút khác, SRR ñược sử dụng Khi liên kết vô tuyến của nút bị ngắt, nó sẽ tiến hành xếp hàng gói tin vào bộ nhớ ñệm ñể chờ cho ñến khi có kết nối, thay vì hủy gói [1]

Trong [2], Joel C Delos Angeles và cộng sự ñề xuất giao thức CAGR (Routest Congestion-Aware Geographical Routing) Tương tự với SRR, CAGR cũng sử dụng hệ mờ

nhằm đưa ra các quyết định lựa chọn nút lân cận phù hợp nhất để chuyển tiếp gĩi tin CAGR cũng kế thừa các kết quả của SRR bằng cách kết hợp hai tham số được sử dụng trong SRR là khoảng cách và hướng di chuyển thành một tham số là vector khoảng cách Điểm khác biệt

so với SRR ở chỗ CAGR sử dụng thêm tham số mức độ chiếm dụng bộ đệm của các nút lân cận để dự báo tình trạng tắc nghẽn của nút Trong SRR, khi hệ mờ mang lại kết quả giống hệt nhau cho hai nút lân cận, việc lựa chọn một trong hai nút là ngẫu nhiên Trong trường hợp này, nếu biết được nút nào trong hai nút cĩ thể bị nghẽn cổ chai lại là thơng tin rất cĩ giá trị

Do đĩ, mức độ chiếm dụng bộ đệm của nút được đưa vào trong quyết định mờ của CAGR

Trong việc lựa nút kế tiếp, CAGR [2] đề xuất sử dụng hai số liệu đầu vào: (1) vector khoảng cách của nút hiện tại với một nút lân cận, cĩ tham chiếu đến vector nối nút hiện tại và nút đích và (2) vùng đệm của một nút lân cận Cĩ thể thấy, số liệu đầu vào thứ nhất được coi như là việc tối ưu hĩa các liên kết vơ tuyến cho một chặn chuyển tiếp; số liệu đầu vào thứ hai

được sử dụng để dự đốn, và do đĩ tránh được tắc nghẽn nút khi nút kế tiếp bị đầy bộ nhớ đệm Vector khoảng cách là một tổng hợp của số liệu khoảng cách và hướng được sử dụng

trong SRR dựa trên logic mờ [1, 2]

Cả CAGR và SRR đều cho rằng khoảng cách giữa các nút ngắn sẽ làm tăng số lượng chặn chuyển tiếp; ngược lại khoảng cách giữa các nút dài sẽ làm tăng xác suất hỏng kết nối mạng Do đĩ, trong các luật mờ, CAGR và SRR đều cho điểm mờ cao ở các khoảng cách trung bình [1] Tuy nhiên, cĩ một thực tế là các nút trong VANET đều chuyển động tương

đối với nhau Do đĩ, theo thời gian, khoảng cách giữa nút hiện tại với một nút lân cận cĩ thể

thay đổi, đặc biệt là khi hai nút di chuyển ngược chiều nhau Ví dụ một số trường hợp tiêu

biểu như sau (Hình 2.1):

- Trường hợp 1: khi một nút lân cận đang nằm ở biên giới vùng phủ sĩng của nút hiện tại, nếu hai nút di chuyển theo hướng gần nhau hơn như hai nút A và C thì xác xuất mất kết nối mạng sẽ giảm xuống

- Trường hợp 2: khi một nút lân cận đang nằm ở biên giới vùng phủ sĩng của nút hiện tại, nếu hai nút di chuyển theo hướng xa nhau hơn như hai nút A và B thì xác xuất mất kết nối mạng sẽ tăng lên

- Trường hợp 3: khi một nút lân cận ở rất gần nút hiện tại, nếu hai nút di chuyển theo hướng gần nhau hơn như hai nút A và E thì cĩ khả năng sẽ làm tăng số chặn chuyển tiếp

- Trường hợp 4: khi một nút lân cận ở rất gần nút hiện tại, nếu hai nút di chuyển theo hướng xa nhau hơn như hai nút A và D thì có khả năng sẽ làm giảm số chặn chuyển tiếp

Hình 2.1 Nút hiện tại và nút lân cận chuyển ñộng ngược chiều nhau.

Do vậy, khác với SRR [1] và CAGR [2], FDGR trong nghiên cứu này sử dụng một ñầu vào thứ ba của hệ suy diễn mờ ñể ñưa ra quyết ñịnh nút kế tiếp Tham số này là hướng chuyển ñộng tương ñối giữa nút hiện tại và nút lân cân

2.2. Giao thức ñịnh tuyến ñịa lý sử dụng thông tin về khoảng cách và hướng di chuyển FDGR

Để thuận lợi trong việc trình bày và theo dõi, cần có một số ñịnh nghĩa về các nút

trong VANET của nghiên cứu này Các ñịnh nghĩa như sau:

- Nút nguồn: là nút hình thành bản tin và phát ñi

- Nút ñích: là nút nhận và xử lý nội dung bản tin

- Nút hiện tại: là nút ñang nắm giữ bản tin, ñang lựa chọn nút kế tiếp ñể phát bản tin

tới

- Nút trung gian: là nút ñóng vài trò chuyển tiếp bản tin từ nút ngồn tới nút ñích

- Nút lân cận: nút lân cận với một nút A là nút nằm trong vùng phủ sóng vô tuyến của

nút A ñó

- Nút kế tiếp: là nút lân cận với một nút A, ñược nút A lựa chọn ñể phát trực tiếp một

bản tin tới nhằm tiếp tục chuyển tiếp gói tin tới ñích

Như ñã trình bày ở trên, khác với CAGR, trong nghiên cứu này, một tham số thứ ba

ñược ñưa vào hệ suy diễn mờ ñể ñưa ra quyết ñịnh nút kế tiếp Tham số này là hướng chuyển ñộng tương ñối giữa nút hiện tại và nút lân cân Ngoài ra, trong CAGR, khi vector khoảng

cách có giá trị âm, tức là nút nân cận không nằm trên hướng từ nút hiện tại tới nút ñích thì thuật toán vẫn xem xét và tính toán ñể quyết ñịnh có chọn làm trạm kế tiếp hay không Điều này dẫn ñến mất thời gian tính toán và có thể chọn ñược nút kế tiếp nằm xa nút ñích hơn so với nút hiện tại, làm cho việc ñịnh tuyến bị lặp lặp lại giữa hai nút và cuối cùng là gói tin không ñến ñích ñược do hết thời gian TTL Phương pháp FDGR ñược ñề xuất sẽ không xem xét ñến các nút có khoảng cách ñến nút ñích lớn hơn so với khoảng cách giữa nút hiện tại với

nút ñích Các bước thực hiện của thuật toán FDGR ñược biểu diễn trên Hình 2.2, trong ñó

ñóng góp của nghiên cứu này ñược thể hiện bên trong khối hình ñứt nét

Hình 2.2 Sơ ñồ các bước xử lý của giao thức FDGR

Hầu hết các giao thức ñịnh tuyến sử dụng các bản tin Hello như một cách ñể một nút

tiện có thể có ñược thông tin vị trí và hướng di chuyển của các phương tiện khác ở gần nó thông qua các gói Hello ñược các nút lân cận phát một cách ñịnh kỳ Các gói này chứa thông

tin ñịnh vị GPS và hướng di chuyển của các nút ñó Các gói Hello ñược các phương tiện khác

trong phạm vi phủ sóng của nút phát thu ñược [2] Với bản tin Hello của CAGR, bên cạnh thông tin GPS, một nút cũng sẽ quảng bá mức ñộ chiếm dụng bộ nhớ ñệm của nó Dung lượng bộ ñệm có thể ñược biểu diễn bằng tỷ lệ phần trăm số byte sẵn dùng trong bộ nhớ ñệm của một nút so với tổng dung lượng của bộ ñệm như trong [2, 16]

Với FDGR, khi một nút nào ñó mang gói tin (nút hiện tại), nó sẽ tìm kiếm trong vùng phủ sóng của nó các nút lân cận Nếu mật ñộ lưu thông thấp dẫn ñến không tìm ñược bất kỳ nút lân cận nào, nó sẽ xếp hàng gói tin vào trong bộ nhớ ñệm và chờ ñến khi có kết nối với một nút lân cận phù hợp sẽ chuyển tiếp ñi Trong trường hợp bộ nhớ ñệm không còn chỗ trống, gói tin sẽ bị hủy và kết thúc quá trình Nếu mật ñộ lưu thông cao dẫn ñến có thể tìm

ñược ít nhất một nút lân cận, nút hiện tại sẽ kiểm tra xem liệu trong danh sách các nút lân cận

có nút ñích của gói tin hay không Nếu có, nó chuyển tiếp gói tin ñến nút ñích và kết thúc quá trình Nếu không tìm thấy nút ñích, nút hiện tại sẽ tiến hành tìm nút kế tiếp phù hợp nhất trong số các nút lân cận ñể chuyển tiếp gói tin Nút kế tiếp phù hợp nhất phải thỏa mãn hai

ñiều kiện (1) có khoảng cách tới nút ñích nhỏ hơn khoảng cách từ nút hiện tại tới nút ñích và

(2) có chi phí mờ lớn nhất trong số các nút lân cận Nếu không tìm ñược nút kế tiếp, nút hiện tại sẽ xếp hàng gói tin vào trong bộ nhớ ñệm và chờ ñến khi có kết nối với một nút lân cận phù hợp sẽ chuyển tiếp ñi Trong trường hợp bộ nhớ ñệm không còn chỗ trống, gói tin sẽ bị hủy và kết thúc quá trình Nếu tìm ñược nút kế tiếp, nút hiện tại sẽ chuyển tiếp gói tin ñến nút

kế tiếp và tiếp tục quá trình Một lưu ý là khi một nút trung gian vừa nhận ñược gói tin nó sẽ kiểm tra giá trị TTL của gói, nếu giá trị này vượt giá trị TTL cho trước, gói tin sẽ bị hủy và quá trình kết thúc Quá trình này sẽ tiếp tục cho ñến khi chuyển tiếp gói tới ñích

Trong việc lựa chọn nút kế tiếp, FDGR sử dụng ba số liệu ñầu vào bao gồm: (1) vector khoảng cách của nút hiện tại với một nút lân cận, có tham chiếu ñến vector nối nút hiện tại và nút ñích (2) tỷ lệ còn trống của bộ nhớ ñệm tại nút lân cận và (3) ñộ biến thiên khoảng cách giữa nút hiện tại với nút lân cận của thời ñiểm t n với thời ñiểm t n−1 Có thể thấy, số liệu ñầu vào thứ ba có liên quan ñến hướng di chuyển tương ñối giữa nút hiện tại và nút lân cận Khi hai nút di chuyển gần nhau hơn, giá trị này âm, ngược lại là giá trị dương

Khác với SRR [1] và CAGR [2], trong nghiên cứu này, FDGR cho ñiểm mờ khác nhau giữa hai trường hợp 1 và 2, 3 và 4 nêu trên Có thể thấy rằng, cần ñưa yếu tố sự di chuyển tương ñối giữa nút hiện tại với các nút lân cận vào quá trình tính chi phí mờ ñể quyết ñịnh lựa chọn nút kế tiếp Yếu tố di chuyển này ñược ñánh giá bằng sự thay ñổi về khoảng cách giữa hai nút tại thời ñiểm tính toán hiện tại và thời ñiểm tính toán ngay trước ñó

Giả sử tại thời ñiểm t n, nút hiện tại C có tọa ñộ là (x C( ) ( )t n ,y C t n ) và nút lân cận N có tọa ñộ là (x N( ) ( )t n ,y N t n ) Khoảng cách giữa hai nút CN tại thời ñiểm t n là:

( ) ( ) ( )2 ( ( ) ( ) )2

2 1 1

2 1 1

2 2

∆d CN t , hai nút có xu hướng chuyển ñộng gần nhau hơn Giá trị tuyệt ñối của ∆d CN(t n)

càng lớn thì tốc ñộ chuyển ñộng tương ñối giữa hai nút càng cao Với bản tin Hello của

FDGR, bên cạnh thông tin GPS ở thời ñiểm hiện tại t n và mức ñộ chiếm dụng bộ nhớ ñệm của nút như ở [1] và [2], nút cũng sẽ quảng bá thông tin GPS ở thời ñiểm t n−1 Căn cứ vào thông tin GPS do các nút lân cận ở thời ñiểm t nvà t n−1, nút hiện tại sẽ tính ñược giá trị

Hiện nay, hệ mờ ñang ở giai ñoạn phát triển mạnh mẽ cả về phương diện lý thuyết lẫn

ứng dụng, thu hút sự quan tâm của ñông ñảo các nhà khoa học trong và ngoài nước Sử dụng

phương pháp hệ mờ trong nhiều trường hợp tỏ ra có ưu ñiểm vượt trội hơn so với sử dụng các phương pháp kinh ñiển khác, ñặc biệt là ñối với các ñối tượng phi tuyến

Hệ mờ là hệ thống ñược xây dựng trên cơ sở tri thức hoặc các luật Sơ ñồ cấu trúc bên

trong của một hệ mờ ñược biểu diễn ở hình 2.3 Một hệ mờ tổng quát bao gồm 4 thành phần:

cơ sở luật mờ, ñộng cơ suy diễn mờ, bộ mờ hoá và bộ giải mờ Ta sẽ lần lượt xem xét chi tiết

các phần của hệ mờ

2.3.1 Cơ sở luật mờ

Một cơ sở luật mờ bao gồm tập các luật mờ IF – THEN Nó thường ñược gọi là “trái

tim của hệ mờ” vì tất cả các thành phần khác của hệ thống ñều sử dụng ñến các luật này theo

chức năng của mình Cụ thể, cơ sở luật mờ ñược xây dựng trên cơ sở tập các luật mờ IF – THEN sau:

n n

l l

B is y THEN A

is x and and

A is x IF

Cấu trúc hệ mờ như trên Hình 2.3 cho phép mô tả một lớp rộng rãi tri thức của con

người Định nghĩa sau xác ñịnh ñiều kiện diễn ñạt ñầy ñủ các tình huống của hệ mờ

Hình 2.3 Cấu trúc bên trong của một hệ mờ

Bộ ñiều khiển mờ

µ

Định nghĩa: Tập các luật mờ IF – THEN ñược coi là ñầy ñủ nếu với bất kỳ x ∈ U ñều

tồn tại ít nhất một luật trong cơ sở luật mờ, chẳng hạn luật ( )l

Ru , sao cho giá trị hàm liên thuộc phải khác không

A l x

với mọi i = 1, 2, …, n

2.3.2 Động cơ suy diễn mờ

Trong ñộng cơ suy diễn mờ các phép toán logic mờ ñược sử dụng ñể tích hợp các luật

mờ IF – THEN trong cơ sở luật mờ thành phép chiếu từ tập mờ A’ trong U lên tập mờ B’trong V

Có nhiều loại ñộng cơ suy diễn và quy tắc hợp thành Nói chung, phổ biến là sử dụng một số ñộng cơ suy diễn sau:

Động cơ suy diễn Product:

M l

Kí hiệu: supx∈ U( )x là giá trị cận phải của U

Động cơ suy diễn MIN:

n

A A

U x

U x

M l

B n A A

A U

x x

y

l

l l

n l

µ

µ µ

µ µ

,,

, ,min

max,min

U x

Trong các tài liệu [14] và [15] ñã trình bày tổng quan về các ñộng cơ suy diễn mờ và

có ñưa ra nhận xét sau:

- Nếu giá trị hàm thuộc của phần IF nhỏ thì ñộng cơ suy diễn product và min cho các giá trị hàm thuộc ñầu ra hết sức nhỏ, trong khi các ñộng cơ suy diễn Lukasiewicz, Zadeh và Dienes – Rescher cho các giá trị hàm thuộc lớn

- Các ñộng cơ suy diễn có thể phân thành hai nhóm dựa trên sự khác biệt lớn về kết quả: Nhóm ñộng cơ suy diễn product và min, nhóm ñộng cơ suy diễn Lukasiewicz, Zadeh và Dienes – Rescher Trong mỗi nhóm kết quả làm việc của từng loại ñộng cơ suy diễn gần giống nhau

- Động cơ suy diễn Lukasiewicz cho hàm thuộc ñầu ra lớn nhất, còn ñộng cơ suy diễn product cho hàm thuộc ñầu ra nhỏ nhất

Bộ mờ hoá singleton chiếu ñiểm giá trị thực x∗∈ U

lên singleton mờ A’ trong U có giá trị hàm thuộc bằng 1 tại x* và bằng 0 tại các ñiểm khác trong U

x x khi x

Bộ mờ Gauss:

Bộ mờ hoá Gauss chiếu ñiểm giá trị thực x∗∈ U

lên tập mờ A’ trong U có hàm liên

thuộc dạng Gauss như sau:

2

2 2 2

1

1 1

exp

*

*exp

*exp

a

x x a

x x a

x x x

trong ñó a i là các tham số dương và chuẩn * thường ñược chọn là phép nhân ñại số hoặc min

Bộ mờ hoá tam giác:

Bộ mờ hoá tam giác chiếu ñiểm giá trị thực x∗∈U

lên tập mờ A’ trong U có hàm thuộc dạng tam giác như sau:

i i i n

n n A

b x x khi

n i

b x x khi b

x x b

x x x

0

, ,2,1

;1

1

1

1 1

'

trong ñó bi là các tham số dương và chuẩn ⊗ thường ñược gọi là phép nhân ñại số hoặc min

L-X Wang [15] có ñưa ra một số nhận xét sau:

- Bộ mờ hoá singleton làm ñơn giản rất nhiều các tính toán liên quan ñến ñộng cơ suy diễn mờ với mọi dạng hàm liên thuộc trong các luật mờ IF – THEN

- Bộ mờ hoá Gauss hay tam giác làm ñơn giản tính toán trong các ñộng cơ suy diễn

mờ nếu các hàm thuộc trong các luật IF – THEN là dạng Gauss hay tam giác tương ứng

- Các bộ mờ hoá Gauss và tam giác có thể làm giảm tác ñộng của nhiễu ñầu vào còn

bộ mờ hoá singleton không có khả năng ñó

Bộ giải mờ trọng tâm cho ra kết quả ñiểm y* là hoành ñộ của ñiểm trọng tâm miền

ñược bao bởi trục hoành và hàm thuộc của B’, ñó là:

( ) ( )

S B

dy y

dy y y y

trong ñó S là miền xác ñịnh của tập mờ B’ (hình 2.5)

Bộ giải mờ trung bình tâm:

Vì tập mờ B’ là hợp hay giao của M tập mờ nên một cách lấy xấp xỉ (2.12) là lấy trung bình có trọng số các tâm của M tập mờ, trong ñó các trọng số là chiều cao của các tập mờ tương ứng

Cụ thể, nếu gọi yl là tâm của tập mờ thứ l và w l là chiều cao của nó thì bộ giải mờ trung bình tâm cho ra kết quả (hình 2.6)

l M l l

w

w y y

1 1

Về bản chất, bộ giải mờ cực ñại chọn ñiểm y* là ñiểm trong V mà tại ñó µB'( )y ñạt giá

trị lớn nhất

Định nghĩa G(B’) là tập tất cả các ñiểm trong V mà tại ñó µB'( )y ñạt giá trị lớn nhất

Về nguyên tắc, bộ giải mờ cực ñại có thể chọn ñiểm y* là bất kỳ ñiểm nào trong tập này và tuỳ theo cách chọn ñiểm y* ta có các dạng sau:

bộ giải mờ cực ñại nhỏ nhất với

(kí hiệu inf là giá trị cận trái)

bộ giải mờ cực ñại lớn nhất với

B G

B G

Bảng 2.1 [14] ñưa ra so sánh về tính năng của 3 loại bộ giải mờ ñã ñược trình bày ở trên

ñộ dài ND lớn hơn ñộ dài CD nên không lựa chọn N làm nút kế tiếp cho dù chỉ có một mình

nút N trong tập lân cận; ngược lại, trong trường hợp b), góc này nhỏ hơn 0

90 , tức là ñộ dài

ND nhỏ hơn ñộ dài CD nên có thể lựa chọn N làm nút kế tiếp Điều kiện thứ hai ñược thực hiện bằng cách tính giá trị chi phí mờ cho tất cả các nút lân cận thỏa mãn ñiều kiện thứ nhất, sau ñó lựa chọn nút có giá trị mờ cao nhất