Xây dựng mạng adhoc di động cho quản lý giao thông, an ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên biển

Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu đã triển khai nghiên cứu mô hình kiến trúc truyền thông phù hợp, thiết kế và tích hợp phần cứng các nút mạng thiết bị liên lạc không dây phi t

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

XÂY DỰNG MẠNG ADHOC DI ĐỘNG CHO QUẢN LÝ GIAO THÔNG, AN NINH VÀ KIẾN NGHỊ ỨNG DỤNG

CHO THÔNG TIN CỨU HỘ TRÊN BIỂN

CNĐT : NGUYỄN VĂN ĐỨC

9034

Mục lục

Danh mục hình vẽ 5

Danh mục bảng biểu 10

Chương 1 Giới thiệu chung 15

1.1 Tổng quan 15

1.2 Tính cấp thiết 16

1.3 Thách thức kỹ thuật 17

1.3.1 Sự năng động của các nút mạng 17

1.3.2 Băng thông hạn hẹp và bất định 17

1.3.3 Đường truyền kém tin cậy 18

1.3.4 Môi trường liên lạc đa dạng 18

1.3.5 Dữ liệu đa phương tiện nhạy cảm với trễ 18

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 19

1.5 Cách tiếp cận 19

1.6 Phương pháp nghiên cứu 20

1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 21

1.7.1 Tình hình nghiên cứu trong cộng đồng khoa học quốc tế 22

1.7.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển trong nước 28

1.8 Các hoạt động nhóm nghiên cứu đã triển khai 30

1.9 Hợp tác quốc tế 33

1.10 Kết chương 33

Chương 2 Thiết kế giao thức truyền thông 34

2.1 Kiến trúc giao thức truyền thông 34

2.2 Nghiên cứu lựa chọn phương thức định tuyến cho mạng VANET 35

2.2.1 Phân loại các giao thức định tuyến 36

2.2.2 Lựa chọn giao thức định tuyến thích hợp phát triển cho mạng VANET 37

2.3 Định tuyến tùy biến theo vị trí và cân bằng tải 37

2.3.1 Cơ chế cân bằng tải 40

2.3.2 Cơ chế nhận biết chuyển động 41

2.3.3 Xây dựng thuật toán định tuyến 44

2.4 Giao thức truyền cho ứng dụng đa phương tiện 46

2.5 Điều khiển phiên thông tin 46

2.6 Quản lý địa chỉ 48

2.7 Điều khiển truy nhập kênh vô tuyến 49

2.7.1 Một số vấn đề lớp MAC trong mạng Ad Hoc 49

2.7.2 Kiến trúc lớp MAC của chuẩn IEEE 802.11 53

2.7.3 Đề xuất lớp MAC cho AdHoc dựa vào công nghệ OFDMA 56

2.7.4 Đề xuất kiến trúc lớp MAC dựa vào công nghệ OFDMA 59

2.7.5 Kịch bản mô phỏng cho mạng Ad Hoc 65

2.8 Kết chương 70

Chương 3 Thiết kế, chế tạo thiết bị liên lạc trên xe và bên đường 71

3.1 Yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật 71

3.2 Kiến trúc hệ thống 71

3.3 Phát triển phần cứng 73

3.3.1 Bàn phím 73

3.3.2 Màn hình LCD cho thiết bị trung chuyển phi thể thức 76

3.3.3 Màn hình LCD cảm ứng cho thiết bị liên lạc kết cuối 82

3.3.4 Ngoại vi đa phương tiện 82

3.4 Tích hợp phần mềm 83

3.4.1 Hệ điều hành nhúng cho nút mạng 83

3.4.2 Phần mềm trung gian 84

3.5 Kết chương 86

Chương 4 Triển khai thực hiện phần mềm 87

4.1 Kiến trúc thiết kế phần mềm 87

4.2 Phần mềm định tuyến VANET 88

4.2.1 Module “Ứng dụng” 88

4.2.2 Module “upper interface” 89

4.2.3 Module “lower interface” 89

4.2.4 Module “beaconing” 89

4.2.5 Module “greedy forwarding” 89

4.2.6 Module “perimeter forwarding” 89

4.2.7 Module “state of neighbor” 89

4.2.8 Module “Bộ thu GPS” 89

4.2.9 Module “Chuyển đổi vị trí” 90

4.2.10 Moudule “kernel routing” 90

4.3.1 Quản lý IP và Thu hồi IP được cấp 94

4.4 Phần mềm điều khiển phiên phân tán 95

4.4.1 Truyền ảnh 96

4.4.2 Truyền số liệu 98

4.4.3 Truyền tiếng nói 99

4.4.4 Truyền video 100

4.4.5 Phần mềm giám sát chuyển động xe cộ 101

4.4.6 Phần mềm dẫn đường cho lái xe 102

Chương 5 Kết quả triển khai thử nghiệm 104

5.1 Mô tả thí nghiệm 104

5.2 Kết nối mạng di động GSM/GPRS 106

5.3 Truyền thông đa phương tiện 108

5.4 Giám sát xe cộ 111

5.5 Năng lượng tiêu thụ của hệ thống phần mềm 117

5.6 Triển khai cho ứng dụng an ninh 118

5.7 Kết quả công cụ mô phỏng 118

5.7.1 Kịch bản chạy mô phỏng 118

5.7.2 Các kết quả đạt được trong quá trình mô phỏng 119

5.7.3 Kết luận 123

5.8 Kết chương 123

Chương 6 Kiến nghị cho thông tin biển 124

6.1 Các hệ thống thông tin trên biển truyền thống 124

6.1.1 Hệ thống truyền tin trên biển sử dụng sóng vô tuyến 124

6.1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh 128

6.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng Ad-hoc cho thông tin biển ở một số nước 134 6.2.1 Giới thiệu chung 134

6.2.2 Đề xuất triển khai của một số nước 136

6.3 Các khuyến nghị về việc ứng dụng công nghệ mạng Ad-hoc cho thông tin biển ở Việt Nam 146

6.3.1 Đề xuất về kiến trúc mạng 146

6.3.2 Tần số sử dụng 149

6.3.3 Mô hình suy hao 151

6.3.4 Điều khiển truy nhập 160

6.3.5 Điều khiển công suất 166

6.3.6 Giao thức định tuyến 169

6.4 Mô phỏng mạng Ad-hoc trong thông tin trên biển 186

6.4.1 Thiết kế chức năng hệ thống 186

6.4.2 Thiết kế giao diện hệ thống 189

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 191

KẾT QUẢ XUẤT BẢN 192

TÀI LIỆU THAM KHẢO 194

Danh mục hình vẽ

Hình 1-1 Mô hình mạng di động đa chặng VANET (vehicluar ad hoc network) 16

Hình 1-2 Qui trình nghiên cứu 21

Hình 1-3 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của hiện tượng suy giảm đường truyền 23

Hình 1-4 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của che chắn (a) không tương quan và (b) tương quan 24

Hình 1-5 Công suất phía thu phụ thuộc và khoảng cách thu phát trên mô hình thực tế, có ảnh hưởng của Pathloss, Shadowing và Multipath fading 24

Hình 1-6 Mô hình hệ thống thu phí tự động áp dụng tại Nhật Bản (electronic toll collection - ETC) 27

Hình 1-7 Một số thiết bị tham khảo cho việc chế tạo hệ thống nhúng trong nước 29

Hình 2-1 Mô hình xuyên tầng 35

Hình 2-2 Greedy forwarding 38

Hình 2-3 Thuật toán Greedy forwarding lỗi, nút x muốn gửi gói đến nút D, nhưng nút X lại không có hàng xóm nào gần D hơn X 38

Hình 2-4 Thuật toán Perimeter 39

Hình 2-5 Mối quan hệ giữa Greedy forwarding và Perimeter forwarding 40

Hình 2-6 Thuật toán cân bằng tải mạng 40

Hình 2-7 Dự đoán chuyển động của nút 42

Hình 2-8 Dự đoán hướng chuyển động của nút 43

Hình 2-9 Cơ chế tìm kiếm vị trí của nút đích 44

Hình 2-10 Thuật toán xây dựng hàm định tuyến 45

Hình 2-11 Mô hình thiết kế giao thức điều khiển phiên 47

Hình 2-12 Mô hình phân lớp của cơ chế cấp phát-thu hồi địa chỉ 48

Hình 2-13 Vấn đề node ẩn (The hidden terminal problem) 49

Hình 2-14 Vấn đề node hiện (The exposed node problem) 51

Hình 2-15 Vấn đề Blocking (Node C is blocked) 52

Hình 2-16 Cơ chế cấp phát kênh dựa vào tín hiệu báo bận phát ra từ máy thu 57

Hình 2-17 Vấn đề về nhiễu đồng kênh CCI trong các hệ thống OFDMA/TDD 57

Hình 2-18 Công suất âm bận thu được tại máy phát 58

Hình 2-19 Cấu trúc khung lớp MAC 59

Hình 2-20 Sơ đồ thuật toán DSA 64

Hình 2-21 Kịch bản mạng Ad-hoc đơn giản hóa cho mô phỏng 65

Hình 2-22 Kết quả với mức ngưỡng khác nhau 66

Hình 2-23 Mô hình kịch bản tính toán thông lượng trong mạng Ad Hoc 67

Hình 2-24 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node : OBU1-RSU1 và OBU2-RSU2 67

Hình 2-25 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node: OBU1 –RSU2 và OBU2 –RSU1 68 Hình 2-26 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node : OBU1-RSU1 và OBU2-RSU12 69 Hình 3-1 Sơ đồ kiến trúc hệ thống 72

Hình 3-2 Sơ đồ khối chức năng 73

Hình 3-3 Bàn phím USB với các chữ cái thường a-z 75

Hình 3-4 Bàn phím USB với các chữ cái hoa A-Z 75

Hình 3-5 Bàn phím USB với các chữ số và kí tự đặc biệt 75

Hình 3-6 Bàn phím USB với các kí tự đặc biệt còn lại 76

Hình 3-7 Bàn phím USB sản phẩm 76

Hình 3-8 Sơ đồ kết nối LCD nhúng với bo nhúng 77

Hình 3-9 Khung giao diện chính trên LCD nhúng 78

Hình 3-10 Frame giao diện Commander trên LCD nhúng 79

Hình 3-11 Sơ đồ hoạt động LCD nhúng 80

Hình 3-12 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (1) 80

Hình 3-13 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (2) 81

Hình 3-14 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (3) 81

Hình 3-15 Hình ảnh LCD nhúng tích hợp bàn phím cứng 81

Hình 3-16 Màn hình cảm ứng với bàn phím ảo 82

Hình 3-17 Bên trong thiết bị nhúng trung gian trên hiện trường 83

Hình 3-18 Sơ đồ khối bàn phím USB 84

Hình 4-1 Tổng quan triển khai phần mềm thực thi thiết kế xuyên tầng 87

Hình 4-2 Kiến trúc giao thức định tuyến 88

Hình 4-3 Thứ tự các gói tin 91

Hình 4-4 Quản lí Ip được cấp 94

Hình 4-5 Cơ chế điều khiển phiên 96

Hình 4-6 Sơ đồ khối ứng dụng xem ảnh từ webserver 97

Hình 4-7 Sơ đồ khối ứng dụng xem ảnh trên OBU 98

Hình 4-8 Mô hình truyền số liệu 99

Hình 4-9 Mô hình truyền tiếng nói giữa các OBU 99

Hình 4-10 Mô hình chia sẻ video 100

Hình 4-11 Sơ đồ chức năng giám sát chuyển động xe cộ 101

Hình 4-12 Sơ đồ chức năng dẫn đường 102

Hình 5-1 Sản phẩm OBU 104

Hình 5-2 RSU- Board nhúng 105

Hình 5-3 Hệ thống OBU-RSU-SERVER 106

Hình 5-4 RSU chuyển tiếp dữ liệu từ OBU đồng thời chụp ảnh gửi lên server 107

Hình 5-5 Server nhận dữ liệu từ RSU 107

Hình 5-6 Server nhận dữ liệu từ RSU 108

Hình 5-7 OBUchụp ảnh gửi về server qua GPRS 108

Hình 5-8 Mô hình thí nghiệm truyền thông đa phương tiện 109

Hình 5-9 Truyền ảnh 2 chiều đa chặng 109

Hình 5-10 Truyền file đa chặng 110

Hình 5-11 Đo tốc độ file đa chặng (> 64kb/s) 110

Hình 5-12 Truyền tiếng nói 2 chiều đa chặng 111

Hình 5-13 Giao diện website 112

Hình 5-14 Hiển thị chuyển động của obu trên website 112

Hình 5-15 Hiển thị vị trí của phương tiện cho tài xế trên xe 113

Hình 5-16 Demo chức năng tìm kiếm địa danh 114

Hình 5-17 Tìm kiếm đường đi 115

Hình 5-18 Dẫn đường bằng text 115

Hình 5-19 Chức năng tìm kiếm trạm xăng 116

Hình 5-20 OBU gửi dữ liệu gps tới rsu 116

Hình 5-21 Dữ liệu RSU nhận về 117

Hình 5-22 Kịch bản mô phỏng 119

Hình 5-23 Đồ thị so sánh tỉ lệ mất gói khi tốc độ truyền là 400Kbps 120

Hình 5-24 Đồ thị tốc độ mất gói khi tốc độ bit thay đổi từ 50Kbps đến 400Kbps 120 Hình 5-25 Đồ thị tốc độ mất gói khi chu kì gửi bản tin beacon thay đổi 121

Hình 5-26 Đồ thị so sánh trễ ở tốc độ 300Kbps 121

Hình 5-27 Đồ thị so sánh số nút trung gian trung bình 122

Hình 5-28 Đồ thị so sánh overhead với chu kì gửi gói tin beacon là 2s 123

Hình 6-1 Hệ thống thông tin INMARSAT 129

Hình 6-2 Cấu hình sao và cấu hình lưới của mạng VSAT-IP 132

Hình 6-3 Mô hình thông tin biển 1 135

Hình 6-4 Mô hình thông tin biển 2 136

Hình 6-5 Mô hình thông tin biển 3 136

Hình 6-6 Mô hình mạng NANET gần bờ 137

Hình 6-7 Mô hình mạng NANET xa bờ [54] 139

Hình 6-8 Sơ đồ khối hệ thống IMCS 140

Hình 6-9 Sơ đồ triển khai hệ thống IMCS 141

Hình 6-10 Mô hình thuật toán lựa chọn cách thức giao tiếp 144

Hình 6-11 Hệ thống mạng mesh trên nền tảng WiMAX 145

Hình 6-12 Triển khai thực nghiệm mạng ad-hoc dải tần 27/40 Mhz 145

Hình 6-13 Đề xuất mô hình mạng thông tin gần bờ 146

Hình 6-14 Đề xuất mô hình mạng thông tin xa bờ 147

Hình 6-15 Sự thay đổi chiều cao anten gây ra suy hao truyền sóng 152

Hình 6-16 Sự thay đổi góc nghiêng của anten gây ra thay đổi tăng ích anten 152

Hình 6-17 Mô hình suy hao truyền sóng 2 tia 154

Hình 6-18 Hệ số kH ứng với sóng phân cực ngang 158

Hình 6-21 Hệ số ∝V ứng với sóng phân cực đứng 159

Hình 6-22 Ảnh hưởng của mức công suất phát 160

Hình 6-23 Network Allocation Vector 163

Hình 6-24 CSMA/CA không sử dụng back-off time 164

Hình 6-25 CSMA/CA có sử dụng back-off time 164

Hình 6-26 Contention Window 165

Hình 6-27 CSMA/CA sử dụng RTS/CTS 165

Hình 6-28 Phân mảnh gói dữ liệu truyền dẫn 166

Hình 6-29 Ảnh hưởng của công suất đến kiến trúc mạng 166

Hình 6-30 Ảnh hưởng của công suất phát đến quá trình định tuyến và nhiễu node lân cận 167

Hình 6-31 Điều khiển công suất trong quá trình khám phá tuyến 168

Hình 6-32 Định tuyến AODV 171

Hình 6-33 Nội dung bản tin RREQ 172

Hình 6-34 Nội dung bản tin RREP 173

Hình 6-35 Nội dung bản tin RRER 174

Hình 6-36 Ví dụ về các khả năng gây ra vòng lặp tự do trong việc tính toán đa đường 178

Hình 6-37 Link disjointness 180

Hình 6-38 Ý tưởng chính trong việc tính toán tuyến là link disjoint 181

Hình 6-39 Vai trò của thông tin last hop 182

Hình 6-40 Minh họa tuyến là link disjoint 182

Hình 6-41 Cấu trúc bảng định tuyến của AODV và AOMDV 183

Hình 6-42 Thuật toán xử lí yêu cầu gửi 187

Hình 6-43 Thuật toán xử lí bản tin 188

Hình 6-44 Giao diện hệ thống mô phỏng 189

Danh mục bảng biểu

Bảng 0-1 Danh mục các thuật ngữ viết tắt 11

Bảng 0-2 Danh mục các sản phẩm đề xuất 12

Bảng 0-3 Danh mục sản phẩm đạt được trên thực tế 12

Bảng 0-4 Tài chính 13

Bảng 0-5 Báo cáo tiến độ 13

Bảng 0-6 Hợp tác quốc tế 14

Bảng 2-1 Bảng phân loại các chuẩn khác nhau trong 802.11 53

Bảng 5-1 Thông số mô phỏng 118

Bảng 6-1 Bảng phân chia dải tần 124

Bảng 6-2 Các giao diện vô tuyến triển vọng cho hệ thống 148

Bảng 6-3 Bảng Pierson-Moskowitz - Các cấp trạng thái của biển 152

Bảng 0-1 Danh mục các thuật ngữ viết tắt

Thuật

ABR Average Bit Rate Tốc độ bít trung bình

CQP Constant Quantization

Parameter

Tham số lượng tử không đổi

CR Cummulative Rate Tốc độ tối đa tổng cộng

CRF Constant Rate Factor Hệ số tốc độ không đổi

DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cô-sin rời rạc

DR Demanded Rate Tốc độ bit phù hợp với chất lượng kênh truyền

tại từng thời điểm

DT Dequeuing Throughput Tốc độ gói phát ra ngoài ở đầu hàng đợi bên

phát

ETX Expected Transmission

MANET Mobile ad hoc network Mạng di động đa chặng di động

NAL Network Abtract Layer Lớp mạng trừu tượng

NLQ Neighbor Link Quality Chất lượng đường truyền

OLSR Optimized link state routing Giao thức định tuyến đa chặng trạng thái liên

kết tối ưu PAN Personal Area Network Mạng cá nhân

PLR Packet Loss Rate Tỉ lệ mất gói

PSNR Peak signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đỉnh

QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ

RTCP Realtime transport control

protocol

Giao thức điều khiển giao vận thời gian thực RTP Realtime transport protocol Giao thức giao vận thời gian thực

RTT Round Trip Time Thời gian trễ quay vòng

SDES Source Description Gói tin miêu tả nguồn

VANET Vehicle ad-hoc network Mạng di động đa chặng cho giao thông

VLC Video Coding Layer Mã hóa lớp video

Yêu cầu khoa học

thông tin đa dịch vụ trên kết nối không dây

theo kiểu phi thể thức

• Số học viên cao học và nghiên cứu sinh được đào tạo: 3 học viên cao học

• Số bài báo công bố: 4 bài báo

Bảng 0-3 Danh mục sản phẩm đạt được trên thực tế

Số

TT

Tên sản phẩm Số

lượng

Yêu cầu khoa học Ghi chú

hiển thị thông tin đa dịch vụ trên kết nối đa chặng

Đạt được theo đề xuất

dịch vụ theo kiểu phi thể thức

Đạt được theo đề xuất

3 Gói phần mềm giao thức

truyền thông

2 Xử lý gói dữ liệu đa dịch vụ,

cung cấp giao tiếp đồ họa với người dùng

Vượt chỉ tiêu đề xuất

4 Gói phần mềm mô phỏng

mạng VANET

tiêu đề xuất

• Số học viên cao học và nghiên cứu sinh được đào tạo: 4 học viên cao

học (đạt được theo chỉ tiêu đề xuất)

• Số bài báo công bố: 11 bài báo quốc tế và tạp chí trong nước (vượt

mức đề xuất 6 bài)

Đạt và vượt chỉ tiêu

Bảng 0-6 Hợp tác quốc tế

Chương 1 Giới thiệu chung

Trong phạm vi dự án này, nhóm nghiên cứu phải nghiên cứu, thiết kế và xây dựng

mạng Adhoc di động ở mô hình thử nghiệm với mục đích ứng dụng cho giám sát, điều khiển giao thông , an ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên biển

1.1 Tổng quan

Được biết đến với các tên tiếng Việt khác nhau như mạng tuỳ biến, mạng đặc ứng,

mạng vô tuyến phi thể thức, mạng di động đa chặng, mạng không dây đa chặng…

mạng không dây ad hoc (wireless ad hoc network) hay mạng di động ad hoc

(mobile ad hoc network - MANET) đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu bởi tiềm năng ứng dụng của nó Như được minh họa trong hình 1-1, do không đòi hỏi cơ sở hạ tầng thông tin lắp đặt trước, các thiết bị tính toán di động bật máy lên là có thể liên lạc với nhau được ngay, nên hệ thống thông tin này đặc biệt thích hợp với các hoạt động hiện trường và trong các tình huống khẩn cấp Khác với mạng điện thoại di động truyền thống, mạng di động đa chặng, có tính tự tổ chức và đầy đủ tính năng của một mạng không dây thông thường Hơn thế, các nút trong mạng có thể giao tiếp với nhau nhờ bộ thu phát không dây mà không cần sử dụng đến các thiết bị hạ tầng, các trạm cơ sở Ngoài ra, mạng di động đa chặng có thể hỗ trợ nhiều chuẩn không dây nên các thành phần thiết bị tham gia mạng rất đa dạng, mạng di động đa chặng có thể được thiết lập ở mọi lúc mọi nơi

Hình 1-1 Mô hình mạng di động đa chặng VANET (vehicluar ad hoc network)

Một phân lớp có nhiều tiềm năng ứng dụng và được cộng đồng nghiên cứu quan tâm nhiều trong thời gian gần đây là mạng xe cộ VANET (vehicular ad hoc network) Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu đã triển khai nghiên cứu

mô hình kiến trúc truyền thông phù hợp, thiết kế và tích hợp phần cứng các nút mạng (thiết bị liên lạc không dây phi thể thức) có thể gắn trên xe cộ di chuyển, cũng như cài đặt bên đường Các mục tiêu nghiên cứu đã được hoàn tất cả về phương diện kỹ thuật, đào tạo và xuất bản quốc tế

1.2 Tính cấp thiết

Những năm gần đây chứng kiến sự bùng nổ của truyền thông di động Số người dùng tăng vọt theo từng năm do giá thành giảm Các công nghệ di động (CDMA, WiMAX…) không ngừng phát triển và được nâng cấp Mạng vô tuyến phi thể thức cũng nằm trong chủ lưu đó Cùng lúc, các ứng dụng đa phương tiện cũng ngày càng chiếm ưu thế trong dịch vụ truyền thông Dù tạo ra nhiều lưu lượng, các ứng dụng này đang trở lên khả dĩ trong các hệ thống không dây trong đó có mạng MANET nhờ sự tiến bộ của kỹ thuật nén tín hiệu Triển khai thành công việc truyền thông tin

– quốc phòng Thấy rõ các ưu việt và lợi ích tiềm tàng của hệ thống thông tin vô tuyến phi thể thức, các nước phát triển đã và đang đầu tư rất nhiều kinh phí vào các

dự án nghiên cứu mang tính đột phá Các cơ quan nghiên cứu uy tín như Đại học Stanford, Viện Chuẩn hóa và Công nghệ quốc gia Hoa kỳ (National Institute of Standards and Technology) hay các tập đoàn công nghiệp lớn như Daimler-Chrysler, Siemens đều đầu tư rất nhiều nhân lực và tài chính vào lĩnh vực này

Hệ thống giao thông đang đặt ra nhiều thách thức nan giải về tai nạn, tắc đường, đòi hỏi những phương tiện kỹ thuật hiện đại như mạng vô tuyến phi thể thức kết nối các thiết bị thông tin lắp đặt ngay trên xe cộ và hệ thống thông tin giao thông để góp phần giải quyết tắc nghẽn giao thông, đảm bảo an toàn cho các phương tiện tham gia giao thông và an ninh trên đường phố

1.3 Thách thức kỹ thuật

Trong khi tiềm năng ứng dụng của mạng MANET nói chung cũng như của VANET nói riêng là rõ ràng, vẫn còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ cần được giải quyết Đó là tính động của các nút mạng, kèm theo đó là sự hạn hẹp và không ổn định của kênh truyền, cũng như quy mô mạng lớn yêu cầu phải thiết lập những kết nối đa chặng

1.3.1 Sự năng động của các nút mạng

Xe cộ chuyển động với tốc độ cao, số lượng xe vào/ra một đoạn đường lớn khiến cho đồ hình của mạng luôn thay đổi với tốc độ rất nhanh Sự thay đổi trạng thái thường xuyên và nhanh chóng của các nút mạng cũng như liên kết giữa các nút mạng dễ gây ra sự thay đổi đồ hình toàn mạng cũng như tuyến đi của các gói dữ liệu ngay trong một phiên kết nối Một nút mạng có thể gia nhập hoặc tách khỏi mạng tại bất kỳ thời điểm nào, do đó chúng có thể tách khỏi tuyến mà chúng trung chuyển bất cứ lúc nào, gây ra sự gián đoạn thông tin Hay cũng vậy, sự xuất hiện của nút mới khiến tuyến đi được cập nhật cũng ảnh hướng đến tính liên tục của đường truyền

1.3.2 Băng thông hạn hẹp và bất định

Kỹ thuật điều chế tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến, nhưng không thể tạo ra đường truyền băng thông rộng như trong các mạng thông tin

có cơ sở hạ tầng được thiết lập trước Khi số chặng liên kết trung gian của tuyến đi

đủ lớn, băng thông từ kết cuối đến kết cuối sẽ suy giảm nhanh chóng [1] Liên kết

vô tuyến lỗi bít cao khiến các gói tin phải được truyền lại nhiều lần, hạ thấp băng thông hiệu dụng và làm hao tốn các tài nguyên thông tin và tính toán Hoạt động ở

chế độ ad hoc, nhiều thiết bị nút mạng cùng chia sẻ kênh vô tuyến theo mô hình phân tán nên dễ xảy ra hiện tượng tranh chấp tài nguyên và va chạm truyền phát Các thiết bị trao đổi thông tin với nhau chủ yếu trên các liên kết không dây nên độ tin cậy của đường truyền thấp hơn nhiều so với hạ tầng truyền dẫn cáp đồng trục, cáp quang trong các mạng thông tin công cộng Các yếu tố bên ngoài như nhiễu kênh vô tuyến, giao thoa, fading… ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu truyền Khi các nút di chuyển, độ ổn định của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) lại càng kém Nếu hoạt động trên địa hình phức tạp (núi rừng, công trình ngầm…), chắc chắn tỷ lệ mất gói sẽ rất khó đoán Những bất lợi này khiến đường truyền chịu tổn thất gói cao, đòi hỏi việc phát triển các giao thức truyền mới, có khả năng thích ứng với những biến động của tuyến thông tin

1.3.3 Đường truyền kém tin cậy

Bản chất kênh truyền dẫn vật lý của mạng Adhoc là kênh vô tuyến với các nút mạng thường xuyên di chuyển Kênh truyền dẫn lại có cấu trúc đa chặng, mỗi chặng có chất lượng đường chuyền khác nhau Do vậy đường truyền dẫn chịu ảnh hưởng bởi các hiệu ứng fading phân tập đa đường, hiệu ứng Doppler, sự ảnh hưởng bởi can nhiều, và tắc nghẽn hay mất gói của mạng

1.3.4 Môi trường liên lạc đa dạng

Bên cạnh giao thức truyền thông hiện có, phải thiết kế mô hình mới Hệ thống cũng tích hợp cả giao diện mạng không dây có cơ sở hạ tầng cài đặt sẵn như mạng điện thoại di động (GPRS/GSM), mạng Internet Ngoài ra, những xe cộ có thể gửi yêu cầu liên lạc hay thông tin tới một phương tiện giao thông khác ở cách xa nó, hoặc cung cấp thông tin thu thập được qua các thiết bị bên đường lên máy chủ

1.3.5 Dữ liệu đa phương tiện nhạy cảm với trễ

Các ứng dụng thời gian thực chỉ chấp nhận một tỉ lệ mất gói nhất định trong khi những yêu cầu về trễ thời gian thực rất khắt khe Các gói cần đến đích đúng thời gian nếu trễ hơn thời gian Trong kết nối đa chặng, trễ truyền thông không được lớn hơn một ngưỡng là 500ms Nếu trễ vươt qua ngưỡng này, sự dao động trễ (jitter) sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cảm thụ Để giải quyết vấn đề này, jitter cần được khắc phục bằng cách sử dụng bộ đệm ở phía thu

Khi tắc nghẽn xảy ra, các gói dữ liệu sẽ bị trễ lớn hơn và ở phía thu phát hiện nhiều gói mất Trong điều kiện đó quá trình truyền lại là một giải pháp hiệu quả để giảm mất gói Đặc biệt là khi tài nguyên mạng (băng thông, bộ đệm …) không đủ để vận

chế Tại cùng một thời điểm, thời gian trễ vòng trung bình tăng, giảm số lần truyền lại cho từng gói riêng biệt Tóm lại, thực hiện việc truyền lại trong điều kiện băng thông giới hạn cần phải được thiết kế cẩn thận để tránh deadlock

Để giải quyết các thách thức trên, không thể kế thừa nguyên vẹn các thiết kế truyền thông truyền thống Để đảm bảo chất lượng thông tin và nâng cao hiệu năng hoạt động, cần thiết kế lại kiến trúc hệ thống đứng trên phương diện kết nối mạng và xử

lý dữ liệu đa phương tiện Mục tiếp theo sẽ diễn giải chi tiết đề xuất thiết kế của nhóm nghiên cứu

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Trong phạm vi dự án này, nhóm nghiên cứu tập trung vào các công việc sau:

- Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mạng Adhoc di động ở mô hình thử

nghiệm với mục đích ứng dụng cho giám sát, điều khiển giao thông, an ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên biển

- Tận dụng kết quả nghiên cứu đã có của bản thân nhóm nghiên cứu, nhất là những kinh nghiệm về phát triển ứng dụng đa phương phương tiện trên hệ nhúng Bản thân nhóm nghiên cứu có những dự án liên quan đã có kết quả

- Tham gia trực tiếp vào các dự án mã nguồn mở trên thế giới để chia sẻ, học hỏi nhằm xây dựng được các phần mềm ứng dụng cho hệ thống Trong quá trình triển khai nghiên cứu, nhóm nghiên cứu tham gia tích cực vào các diễn đàn mã mở chia sẻ kinh nghiệm của các phần mềm liên quan

- Tích hợp hệ thống nguyên mẫu (prototype), chạy thử, đánh giá kết quả và tối

ưu hóa từng bước Trong quá trình thiết kế và phát triển nút mạng, nhóm nghiên cứu đã đi theo quỹ đạo này để hoàn tất các hạng mục kỹ thuật phần cứng

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp sau đây được áp dụng để giải quyết các vấn đề nghiên cứu:

- Sử dụng công cụ thiết kế, mô phỏng để xây dựng mô hình và giao thức thông tin, đánh giá hiệu năng và tính khả thi Vượt ra ngoài yêu cầu phải đạt là hệ thống thử nghiệm thực, nhóm nghiên cứu còn đưa ra công cụ mô phỏng phục

vụ các nghiên cứu trong tương lai

- Đưa ra thiết kế tổng thể của hệ thống, phát triển các mô-đun nút mạng và triển khai chạy thử, đo đạc các tham số chất lượng dịch vụ

- Tối ưu hóa hệ thống bằng việc chỉnh sửa các thực thể thuộc các tầng khác nhau của chồng giao thức thông tin và tối ưu hóa mã nguồn

Hình 1-2 Qui trình nghiên cứu 1.7 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Mạng VANET là lĩnh vực nghiên cứu thu hút nhiều dự án nghiên cứu trong những năm qua Tuy nhiên các thách thức kỹ thuật như đã phân tích đòi hỏi thêm nhiều nỗ lực nghiên cứu trong tương lai trước khi có thể thương mại hóa

1.7.1 Tình hình nghiên cứu trong cộng đồng khoa học quốc tế

Trên thế giới, những nghiên cứu, hội thảo về mạng VANET là rất phong phú, trong

đó cộng đồng thế giới đặc biệt quan tâm tới phát triển giao thức truyền thông, xây dựng các dịch vụ ứng dụng trên đó, cũng như quản lý tài nguyên vô tuyến- nguồn tài nguyên hạn hẹp

1.7.1.1 Giao thức truyền thông

VANET hoạt động chủ yếu trong chế độ Ad-hoc, ở đó các phương tiện tự tổ chức nên mạng không dây mà không qua bộ định tuyến (Wireless Router) hay các điểm thu phát không dây (Wireless AccessPoint) Có thể nói, VANET chính là một trường hợp riêng của MANET (Mobile Ad-hoc NETwork); tuy nhiên việc triển khai các tiện ích, ứng dụng trên loại mạng này gặp rất nhiều khó khăn thách thức, bởi các thiết bị mạng (chủ yếu là xe cộ) thường di chuyển với tốc độ rất cao, dẫn tới các hiệu ứng không mong muốn trong thông tin liên lạc như: doppler, suy hao, trễ truyền dẫn, v.v… Vấn đề giao thức truyền thông cho mạng MANET đã được cộng đồng nghiên cứu thế giới quan tâm từ rất lâu, nhưng việc áp dụng hiệu quả các giao thức truyền thông này vào mạng VANET mới chỉ được định hướng phát triển từ hơn nửa thập kỉ trở lại đây Theo đó, đã có những nghiên cứu đáng chú ý về giao thức truyền thông cho VANET:

- Định tuyến đa chặng vẫn còn là vấn đề mới trong VANET Cho đến nay, chưa có nhiều nghiên cứu cũng như chưa đưa ra được giao thức định tuyến khả dĩ cho mạng này Nhóm nghiên cứu trong [2] đã thử nghiệm định tuyến

đa chặng sử dụng giao thức OLSR (Optimized Link State Routing) và chuẩn wireless 802.11b Thử nghiệm được tiến hành trong các điều kiện giao thông khác nhau, trong nhiều chuẩn đo (metric) khác nhau để kết luận tính phù hợp của giao thức này đối với VANET

- Kênh truyền vô tuyến là lĩnh vực thu hút khá nhiều nghiên cứu viên trên thế giới Nhóm nghiên cứu trong [3] đã khảo sát sự ảnh hưởng của mô hình kênh

vô tuyến tới hiệu năng, quy mô cũng như hoạt động của những liên lạc trong

hệ thống mạng VANET Sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, các tác giả

đã dần dần làm tăng độ chính xác của mô hình, nhắm tới xác định và lượng hóa mức độ ảnh hưởng của các yếu tố: tổn hao đường truyền (Pathloss), ảnh hưởng của che chắn (Shadowing), suy giảm tín hiệu đa đường (Multipath fading) trên quy mô và các đặc trưng của mạng VANET

Hình 1-3 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của

hiện tượng suy giảm đường truyền

Hình 1-4 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của

che chắn (a) không tương quan và (b) tương quan

Hình 1-5 Công suất phía thu phụ thuộc và khoảng cách thu phát trên mô hình thực

Trong tất cả các mô hình suy hao, khi khoảng cách đầu cuối tăng, công suất tại phía thu đều giảm Các đồ thị trên cung cấp mối quan hệ giữa công suất nhận được tại phía thu với khoảng cách đầu cuối thử nghiệm trong các điều kiện suy hao khác nhau Như thế, tùy vào công suất phát và độ nhạy máy thu mà sẽ lựa chọn khoảng cách triển khai đầu cuối phù hợp

- Chuẩn wireless IEEE 802.11p: Chuẩn 802.11p được bổ sung để phù hợp với môi trường truyền dữ liệu luôn luôn thay đồi, cách thức truyền thông tin như trong mạng Ad-hoc, độ trễ nhỏ và hoạt động trong khoảng tần số riêng (5.850 - 5.925 GHz) Chuẩn 802.11p có thêm chức năng truy nhập kênh phân phối mở rộng (EDCA - enhanced distributed channel access) – một loại truy nhập kênh phân phối được sửa đổi dựa trên chuẩn 802.11e, chức năng này có khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ tốt (QoS – Quality of Service) được sử dụng để truyền các thông tin về an toàn và thời gian, cảnh báo kịp thời cho các phương tiện về một vụ va chạm nào đó vừa xảy ra

1.7.1.2 Phát triển và tích hợp các thiết bị liên lạc OBU

Các thiết bị liên lạc OBU (On-Board Unit) đặt trên xe cộ đã được nghiên cứu phát triển từ nhiều năm trở lại đây Các thiết bị OBU là sản phẩm tích hợp của nhiều module riêng lẻ trên nền một bo mạch trung tâm Trong hệ thống xe ô tô thông minh tại Nhật SmartCar, một thiết bị OBU cơ bản bao gồm: Đơn vị xử lý trung tâm (CPU) để thực thi các ứng dụng và các giao thức truyền thông Bộ thu phát không dây để truyền nhận dữ liệu tới các nút lân cận Module 3G/GSM phục vụ cho việc kết nối với mạng điện thoại di động khi cần, Module DSRC thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các OBU hoặc giữa OBU và các thiết bị bên đường Bộ thu GPS để thu thập các các thông tin về vị trí xe cộ Các cổng giao tiếp vào/ra cho phép con người tương tác với hệ thống Các OBU đươc tích hợp thêm màn hình LCD để hiện thị các thông tin hình ảnh về tình trạng giao thông, các dữ liệu về vị trí, các bản tin thông báo

1.7.1.3 Xây dựng các dịch vụ thông tin

Hệ thống giao thông thông minh (ITS)

Tại các nước phát triển như Nhật, Mỹ, liên minh châu Âu (EU), hệ thống giao thông vận tải tự động đã được triển khai từ hàng chục năm nay Sử dụng các thiết bị tích hợp trên xe cộ (OBU), các phương tiện giao thông liên kết chặt chẽ với các thiết bị ven đường nhẳm đảm bảo cho hệ thống giao thông vận tải đạt các mục tiêu: giảm tai nạn giao thông, giảm ùn tắc, giảm ô nhiễm môi trường, hạ chi phí vận chuyển v.v…

Nhật Bản là quốc gia điển hình trong thực hiện hệ thống giao thông thông minh (ITS) nói trên Hệ thống thông tin liên lạc phương tiện giao thông (VICS- Vehicle Information and Communication System) là một bước khởi đầu để triển khai ITS tại quốc gia đông dân này [5] VICS là một hệ thống dữ liệu số, cung cấp cho người lái

xe thông tin cập nhật về giao thông đường bộ, thông tin này được truyền đi từ cột tín hiệu trên đường đến thiết bị định vi đặt trên xe [6]

Một hệ thống khác là hệ thống hỗ trợ lái xe tự động trên đường cao tốc (AHS- Automated Highway System) đã được nghiên cứu và phát triển từ năm 1991 Mục tiêu của hệ thống là cảnh báo những nguy hiểm phía trước trên đường, xác định vị trí của các phương tiện giao thông khác nhằm ngăn ngừa va đập Trách nhiệm của

hệ thống này là đảm bảo an toàn cho người lái xe [7]

Thế hệ kế tiếp của hệ thống định vị từ xa có thể kết nối ô tô với các phương tiện giao thông khác Trong các cuộc thử nghiệm của Viện công nghệ thông tin và truyền thông quốc gia Nhật, các ô tô kết nối không dây với nhau để lấy thông tin về các vụ tai nạn giao thông hoặc vị trí của xe cứu thương Hình ảnh một xe cứu thương hoặc một chiếc ô tô bị đâm sẽ hiển thị trên màn hình khi các tín hiệu được nhận từ các phương tiện giao thông khác và thông tin sẽ được truyền từ ô tô này đến

ô tô kia [8]

Hệ thống thu phí điện tử (ETC)

Cùng được triển khai trên các thiết bị OBU là hệ thống thu phí điện tử (ETC- Electronic Toll Collection System) Hệ thống này đang phát triển rất nhanh tại Nhật Bản, hoạt động nhờ phương thức trao đổi thông tin giữa một thiết bị OBU lắp trên mỗi xe ô tô và hệ thống kiểm soát trên đường sử dụng sóng vô tuyến tầm gần (DSRC) [9]

Bắt đầu được áp dụng cho cổng thu phí đầu tiên ở Nhật Bản năm 1993, trong những năm qua, ETC đã phát triển rất nhanh chóng Đến đầu năm 2006, đã có 1.200 trạm thu phí đường bộ ở Nhật Bản sử dụng công nghệ ETC, và khoảng trên 60% tương đương 11 triệu phương tiện ôtô ở đất nước này sử dụng công nghệ ETC ETC, bên cạnh chức năng cơ bản là thu phí sử dụng đường bộ tại các cổng thu phí, còn có chức năng tính phí đường bộ tự động, trao đổi thông tin bằng giọng nói giữa người lái xe và nhân viên bộ phận điều hành quản lý đường sá, nhằm thông tin về tình hình đường sá, phương tiện, thời tiết, dẫn đường cho xe, thanh toán phí đỗ xe Chất lượng thông tin có độ chính xác cao, hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi khoảng cách hay tình hình thời tiết Hệ thống ETC hiện nay ở Nhật Bản sử dụng chung cho tất cả các tuyến đường có thu phí Thiết bị OBU trên xe có thể lắp đặt cho tất cả các

được trên 300 tỉ yên/năm và lượng CO2 thải ra tại các trạm thu phí cũng giảm khoảng 200.000 tấn CO2/năm

Hình 1-6 Mô hình hệ thống thu phí tự động áp dụng tại Nhật Bản (electronic toll

collection - ETC)

1.7.1.4 Quản lý địa chỉ mạng

Đối với mạng có dây, hiện tại người ta chia thành 2 phương pháp để quản lý và cấp phát địa chỉ: cấp phát IP tĩnh và cấp phát IP động Người dùng phải tự thiết lập các thông số mạng và phân chia các địa chỉ IP một cách thủ công đối với việc cấp phát

IP tĩnh trong khi điều đó có thể hoàn toàn thực hiện một cách tự động khi cần trong cấp phát IP động

Trong mạng di động adhoc (VANET), số lượng các nút mạng là rất lớn, việc cấp phát địa chỉ IP tĩnh có tính ứng dụng rất thấp, chính vì thế, các nhóm nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra những giải pháp cấp phát và quản lý địa chỉ của các nút trong mạng VANET dựa trên việc cấp phát IP động như trong mạng có dây

Khi sử dụng DHCP trong mạng VANET, các tác giả trong [10] chọn một nút có thể coi là nút trung tâm để thực hiện cấp phát địa chỉ khi có những nút khác bắt đầu tiến tới vùng phủ sóng của nút này: khi một nút tiến dần vào trong mạng mà chưa có địa chỉ IP, sẽ đợi trong một khoảng thời gian nhất định, gửi đi bản tin yêu cầu cấp phát địa chỉ, nút này sẽ nhận được bản tin “xác nhận” từ phía nút trung tâm Sau khoảng thời gian này, nút trung tâm sẽ cấp cho nút này một địa chỉ IP, nút này vẫn tiếp tục lắng nghe bản tin “xác nhận” để kiểm tra trường hợp nó còn tiếp tục nằm trong vùng phủ sóng của nút trung tâm không hoặc nó có trở thành nút trung tâm trong vùng này không Bằng cách này sẽ không có trường hợp có 2 nút trong vùng phủ sóng của 1 nút trung tâm cùng mang 1 địa chỉ IP

Nhóm nghiên cứu trong [11] phát triển việc cấp phát IP động cho các nút trong mạng VANET được thực hiện dựa vào chính các nút sắp tham gia vào mạng: khi một nút chuẩn bị tham gia vào vùng mạng đang xét, nó sẽ tự động cập lấy ngẫu nhiên 1 địa chỉ IP và từ đó gửi bản quảng bá đi trong khắp vùng để tìm kiếm địa chỉ này, nếu đã tồn tại, nó sẽ tự động lựa chọn đia chỉ IP khác và thực tiếp tục lại công việc như trước, sau một số lần nhất định nếu không nhận được bản tin trả lời, nút này sẽ sử dụng địa chỉ IP mà nó đã chọn

1.7.1.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến

Truyền thông vehicle – to – X đòi hỏi phải sử dụng chuẩn 802.11p – chuẩn truy nhập mạng không dây dùng cho các phương tiện chuyển động – Wireless Access Vehicular Enviroment (WAVE) Cùng với việc sử dụng 802.11p thì việc quản lý tài nguyên vô tuyến trong truyền thông không dây vehicle to vehicle (V2V), vehicle to Infrastructure (V2I) là một thách thức lớn phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng dịch

vụ

Đã có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới quan tâm tới việc quản lý tài nguyên vô tuyến một cách hiệu quả, họ chủ yếu quan tâm tới việc điều chỉnh thông số truyền dựa trên điều kiện thực tế [12]: công suất phát và tốc độ truyền gói có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền dữ liệu trong việc truyền thông tin không dây giữa các

xe Ngoài ra thì cũng có nghiên cứu tập trung vào việc tối ưu hóa hệ thống truyền

dữ liệu V2V và giao thoa, họ đã phân tích sự kết hợp giữa công suất phát và tốc độ truyền gói để tối ưu sự nhận gói trong điều kiện tốc độ cao [13] Cũng có phương pháp điều khiển công suất VANET bằng cách tự động thay đổi công suất phát, dựa vào mật độ của xe cộ để tránh một cách tối ưu nhất nhiễu đồng kênh khi số lượng xe tăng cao trong vùng phủ sóng của xe [14] Hoăc như có thể thay đổi tốc độ truyền

và công suất phát dựa vào vị trí của xe và các vùng lân cận của nó tới vị trí của vụ

va chạm giao thông [15]

Từ đó việc quản lý tài nguyên vô tuyến được sử dụng với hiệu quả cao

1.7.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển trong nước

Một số thuận lợi cho việc thực hiện đề tài này đó là một số công ty ở trong nước đã triển khai thành công các dịch vụ truyền dẫn vô tuyến bẳngộng phục vụ cho phát thanh và truyền hình Ví dụ công TQT đã chế tạo thành công hệ thống truyền dẫn Video số sử dụng công nghệ OFDM Ngoài ra mạng truyền hình số DVB-T đã được công ty truyền hình kỹ thuật số VTC khai thác và vận hành thành công từ nhiều

ứng đã được nghiên cứu ở đề tài nghiên cứu khoa học cấp học viện do TS Nguyễn Phạm Anh Dũng cùng các cộng sự thực hiện [17] Công nghệ xử lý và nhận dạng ảnh đã được nhóm “Mắt thần” phát triển cho việc ghi nhận biển số xe và bán vé xe

tự động, tuy nhiên công nghệ này chưa đề cập đến truyền dẫn vô tuyến băng rộng Điều này là rất cần thiết cho việc triển khai hệ thống trong phạm vi rộng với mục đích giám sát các nút giao thông ở các ngã tư

Một số đơn vị viễn thông trong nước như công ty viễn thông Viettel, VDC và VTC

đã có những bước tiến đáng kể cho việc triển khai mạng Internet Wimax băng rộng Điều này cho khả năng tích hợp các trạm Camera vô tuyến với các mạng truyền dẫn băng rộng hiện tại như mạng WiMax

Khoa Điện tử Viễn thông, Trường ĐHBK Hà Nội cũng đã có những bước phát triển đáng kể trong việc chế tạo các hệ thống nhúng Cụ thể khoa đã phối hợp với một số đơn vị ngoài trường chế tạo thành công modem truyền dẫn số sử dụng cho các thiết

bị bộ đàm số hiện nay đã được bán trên thị trường [hình 1.7] Các thiết bị này là cơ

sở khoa học cho việc thực hiện đề tài

Hình a: Hệ thống nhúng đơn giản do khoa

Điện tử Viễn thông tự chế

Hình b: Chíp DSP- Phần tử cơ bản cho việc chế tạo các vi mạch điều khiển và xử lý tín hiệu

Hình 1-7 Một số thiết bị tham khảo cho việc chế tạo hệ thống nhúng trong nước

Những nghiên cứu về mạng ad hoc nói chung và VANET nói riêng ở Việt Nam còn khá ít Năm 2010, ISIF tài trợ đại học Quốc tế Bắc Hà thực hiện đề tài “Hệ thống cứu hộ, cứu nạn trên biển dựa trên mạng Ad hoc vô tuyến GPS” Đề tài này sử dụng công nghệ GPS cho phép xác định vị trí các tàu một cách chính xác, kết hợp với mạng ad-hoc để cung cấp các dịch vụ thoại và số liệu cho các kết nối xa bờ Ngoài

ra, các nghiên cứu khác về mạng ad hoc chủ yếu dừng ở lại ở mức nghiên cứu lý

thuyết Chính vì vậy, nghiên cứu triển khai mạng ad hoc di động cho quản lý giao thông là vấn đề rất mới mẻ và thách thức

1.8 Các hoạt động nhóm nghiên cứu đã triển khai

Hoạt động 1: Thu thập số liệu, khảo sát môi trường truyền dẫn thực tế, xây dựng các tiêu chuẩn cần thiết kế

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát lý thuyết, thực nghiệm, tình hình nghiên cứu cả trong và ngoài nước để xác định các tiêu chuẩn cần thiết kế như: suy hao, hiệu ứng Doppler, trễ truyền dẫn, v.v…

Hoạt động 2: Nghiên cứu, thiết kế kiến trúc mạng và tổ chức trao đổi thông tin ứng dụng giữa các nút mạng

Dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế cho mô hình mạng VANET, nhóm nghiên cứu tiến hành phân loại các dịch vụ: Audio, Image, Data; cùng với đó là yêu cầu chất lượng (băng thông, độ tin cậy, trễ…) đối với từng loại dịch vụ này Xuất phát từ đó, nhóm

đã nghiên cứu và thiết kế kiến trúc mạng tổng thể cũng như tổ chức trao đổi thông tin ứng dụng giữa các nút mạng thỏa mãn những mục tiêu sau:

- Nghiên cứu và thiết kế cơ chế tự đồng bộ và kết nối mạng

- Định nghĩa các lớp dịch vụ thông tin trao đổi, mô tả yêu cầu về chất lượng dịch vụ

- Thiết kế và phát triển giao thức truyền thích hợp cho các lớp dịch vụ khác nhau

Hoạt động 3: Nghiên cứu và thiết kế đa truy nhập cho mạng (lớp MAC)

Mạng adhoc có đặc điểm điều khiển đa truy nhập phân tán, tài nguyên vô tuyến hạn hẹp, môi trường truyền dẫn động dễ bị đứt kết nối Trong khuôn khổ đề tài nhóm nghiên cứu đã đề xuất một phương pháp cấp phát kênh động dựa trên sự nhận biết của can nhiễu hệ thống, và thông tin kênh truyền Các kênh có chất lượng tốt mà ít hoặc không can nhiễu đến các thiết bị đầu cuối thu khác sẽ được lựa chọn để truyền dẫn Nhờ đó mà chất lượng và thông lượng mạng được cải thiện và giảm được ảnh hưởng của can nhiễu Thuật toán đề xuất được công bố ở các bài báo khoa học, và được thực hiện trên phần mềm cũng như là ở mô hình testbed đơn giản

Hoạt động 4: Nghiên cứu phát triển giao thức mạng và cơ chế định địa chỉ

Trong hệ thống VANET, các nút mạng phân bố trong không gian giới hạn bởi lòng được giao thông và khoảng cách giữa chúng thay đổi rất nhanh Nhóm nghiên cứu

- Phát triền giao thức định tuyến cho phép nút nguồn tìm đường đến nút đích thông qua các nút trung gian một cách tối ưu

- Thực thi cơ chế cấp phát và sử dụng lại địa chỉ nút mạng dựa trên nghiên cứu

lý thuyết Cơ chế này giảm thiểu không gian địa chỉ nhưng vẫn đảm bảo tính liên thông của mạng

Hoạt động 5 Nghiên cứu lý thuyết, tích hợp các thiết bị thu phát vô tuyến đầu cuối sử dụng các modul sẵn có, phục vụ cho mục đích truyền dữ liệu

Để thực hiện các kết nối vô tuyến, nhóm nghiên cứu sử dụng các modul truyền sóng

vô tuyến sẵn có của hệ thống WIFI Dựa vào đó, đồng bộ thiết kế các phần mềm xử

lý tín hiệu vô tuyến, giao tiếp với hệ thống nhúng và kiến trúc phần cứng

Hoạt động 6: Nghiên cứu thiết kế tích hợp mạng Ad hoc với các mạng viễn thông

- Lựa chọn các hệ nhúng thích hợp cho các loại đầu cuối khác nhau, tích hợp

- Phát triển phần mềm ứng dụng, giao tiếp người dùng chạy trên OBU và RSU

Hoạt động 8: Xây dựng các modul phần mềm ứng dụng, thu thập và lưu giữ số liệu cho các nút mạng

Các nút mạng có khả năng tự quản lý các số liệu đã trao đổi với các nút khác trong mạng Các dữ liệu đó bao gồm text, audio, ảnh tĩnh, v.v Do vậy trên các nút mạng được thiết kế các modul phần mềm ứng dụng tương ứng chạy trên các hệ thống nhúng nhằm mục đích quản lý và truy xuất các kiểu dữ liệu này

Hoạt động 9: Nghiên cứu mở rộng hệ thống và kiến nghị cho việc ứng dụng công nghệ Ad-hoc cho thông tin cứu hộ trên biển

Trong khuôn khổ đề tài, công nghệ mạng Adhoc đã được nghiên cứu ứng dụng trong môi trường biển Các công trình nghiên cứu trên thế giới được nhóm thực hiện đề tài đánh giá chi tiết, sau đó đề xuất xây dựng kiến trúc mạng adhoc trên điều kiện biển Các tham số được đề xuất bao gồm tần số, phương thức định tuyến, kiến trúc mạng, v.v.v Bên cạnh việc đề xuất kiến trúc mạng, nhóm nghiên cứu xây dựng công cụ cho phép mô phỏng phương thức truyền tin của mạng adhoc trên biển

Hoạt động 10: Đo đạc, lắp đặt, thử nghiệm và hoàn thiện sản phẩm; Đánh giá sự can nhiễu của mạng đề xuất với mạng hiện có

Nhóm nghiên cứu đã kiện toàn các hạng mục triển khai về cả phần cứng và phần mềm:

Hoạt động 11: Tổng kết đề tài

Đề tài đã làm chủ được công nghệ thiết kế mạng Adhoc, đặc biệt là vấn đề truyền thông đa phương tiện đa chặng Sản phẩm mạng adhoc của đề tài có thể được triển khai và ứng dụng trên thực tế như cho hệ thống giao thông thông minh, hệ thống thông tin trên biển, thông tin dưới hầm lò, v.v.v

Bên cạnh các hoạt động khoa học và đào tạo, nhóm nghiên cứu đã thiết lập tốt mạng lưới hợp tác khoa học với nhóm nghiên cứu khoa học của GS TS Thomas Kaiser từ trường ĐH Tổng Hợp Hannover, CHLB Đức

1.9 Hợp tác quốc tế

Trong khuôn khổ thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã hợp tác chặn chẽ với Viện

Kỹ Thuật Thông Tin Trường ĐH Tổng Hợp Hannover, CHLB Đức Phía bên Việt Nam thực hiện thiết kế và thử nghiệm mạng, tối ưu mạng ở các lớp trên, phía đối tác nghiên cứu thiết kế lớp vật lý cho mạng, tiến hành đo đạc và thử nghiệm đường truyền vô tuyến theo chuẩn IEEE 802.11p Dự liệu đo đạc được hai bên tiến hành đánh giá và đưa ra thiết kế chung

Trong quá trình làm đề tài, phía Hannover đã 05 lần sang Việt Nam đề bàn bạc hợp tác và tổ chức hội thảo Phía Việt Nam đã thực hiện 04 lần sang đối tác để thực hiện

tổ chức hội thảo, trao đổi khoa học

1.10 Kết chương

Trong khuôn khổ thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu khoa học đã thực hiện đầy đủ các nội dung đặt ra như trong thuyết minh Mạng adhoc testbed với 5 node đã thực hiện và thử nghiệm thành công Mạng cho phép truyền thông đa dịch vụ và đa chặng, cho phép triển khai một số dịch vụ giá trị gia tăng như định vi dẫn đường cho giao thông Đề tài là nội dung nghiên cứu khoa học của một số lượng lớn sinh viên chính quy, cao học và một số nghiên cứu sinh

Chương 2 Thiết kế giao thức truyền thông

Như đã phân tích trong Chương 1, giao thức truyền thông truyền thống không thể

áp dụng được cho mạng vô tuyến phi thể thức MANET cũng như VANET Trong chương này, nhóm nghiên cứu đưa ra thiết kế của riêng mình nhằm tạo tiền đề cho việc triển khai phần mềm truyền thông

2.1 Kiến trúc giao thức truyền thông

Như đã nhận định, thiết kế truyền thống không giải quyết được các thách thức kỹ thuật nói trên Khi các thực thể ở các lớp của chồng giao thức làm việc độc lập, tách rời như thiết kế đang được áp dụng, sự bất đồng bộ giữa chính sách xử lý thông tin tại các nút mạng và biến thiên trạng thái đường truyền theo thời gian sẽ làm suy giảm hiệu năng hệ thống và chất lượng tín hiệu tại phía thu Trong dự án này, nhóm nghiên cứu đưa ra thiết kế giao thức truyền thông xuyên tầng (cross-layer communication protocol architecture) nhằm giải quyết thách thức nói trên

2.1.1.1 Hợp tác xuyên tầng (cross-layer cooperation)

Như đã nói, sự di chuyển của các nút cùng các diễn biến phức tạp của ngoại cảnh (giao thoa, nhiễu ) khiến cho tài nguyên mạng bao gồm băng thông và độ tin cậy đường truyền thay đổi mạnh theo thời gian Đôi khi di chuyển tương đối giữa các nút còn gây ra sự thay đổi cả về topo mạng

Điều này đòi hỏi phải có sự hợp tác xuyên tầng giữa các thực thể thuộc các tầng khác nhau để kịp thời điều chỉnh các chính sách và lịch trình truyền gói sao cho chất lượng đường truyền thông được tối đa hóa trong điều kiện ràng buộc về các tài nguyên Biến động tài nguyên theo thời gian cũng đòi hỏi tính tự thích nghi của giao thức truyền thông và tham số mã hóa video sao cho chất lượng tín hiệu không

bị suy giảm nghiêm trọng khi điều kiện đường truyền tồi

2.1.1.2 Mô hình tổng quan của thiết kế xuyên tầng

Nhằm mục đích tăng hiệu quả truyền thông trong mô hình mạng có topo mạng thay đổi với tần suất lớn và tài nguyên băng thông hạn hẹp, nhóm nghiên cứu đề xuất giao thức thích ứng cho các lớp dịch vụ khác nhau:

Hình 2-1 Mô hình xuyên tầng

Trong mô hình này, có sự giao tiếp liên tầng :

- Giao tiếp giữa tầng định tuyến- tầng giao vận

- Giao tiếp giữa tầng giao vận- tầng ứng dụng

Tầng định tuyến thu thập các số liệu về vị trí của mỗi nút mạng, sau đó sử dụng dữ liệu này làm thông số định tuyến Bên cạnh nhiệm vụ là tìm đường đi từ nút nguồn đến nút đích, định tuyến còn xác định được mật độ xe cộ trong vùng phủ sóng của nút mạng Hai thông số này sẽ được đưa lên tầng giao vận Tại đây, tầng giao vận sẽ làm nhiệm vụ điều khiển luồng, đảm bảo khả thông mạng

Giao tiếp giữa tầng giao vận và ứng dụng đóng một vai trò rất quan trọng Các thông số thu thập được từ tầng giao vận như tỉ lệ mất gói PLR sẽ được đưa lên tầng ứng dụng và tác động vào bộ mã hóa nhằm điều chỉnh tốc độ bít đầu ra phù hợp với điều kiện đường truyền tại thời điểm hiện tại Dựa vào cơ chế thông minh này, các ứng dụng được truyền đi trong mạng VANET với tài nguyên băng thông hạn hẹp

2.2 Nghiên cứu lựa chọn phương thức định tuyến cho mạng VANET

Trong mạng Vanet, việc topo mạng thay đổi nhanh theo thời gian gây nhiều khó khăn trong việc truyền tải gói tin Gói tin muốn đến được đích thì phải truyền qua nhiều trạm và nút mạng trung gian, do đó nút mạng phải sử dụng phương pháp định tuyến Giao thức định tuyến có hai chức năng chính: tìm, chọn đường tốt nhất và chuyển gói tin đến đúng đích Đồng thời, các giao thức này phải giải quyết những

hạn chế đặc biệt của mạng VANET, bao gồm các vấn đề như tiêu thụ công suất lớn, băng thông thấp và tỷ lệ lỗi cao

2.2.1 Phân loại các giao thức định tuyến

2.2.1.1 Giao thức định tuyến Proactive

Proactive protocol là giao thức định tuyến hoạt động dựa theo bảng định tuyến Ở đây, các nút sẽ duy trì một bảng định tuyến để biết thông tin về các nút còn lại, do

đó các nút sẽ biết được kiến trúc tổng thể của mạng Các giao thức định tuyến

proactive sử dụng phương pháp flooding- phương pháp chuyển tiếp gói tin tới tất cả

các nút mạng để quảng bá thông tin tới các nút mạng đó Phương pháp này cho phép thời gian thiết lập đường nhanh dựa trên các tham số gửi tới thiết bị sẵn sàng cho kết nối Tuy nhiên, việc lưu lượng thông tin tiêu đề tăng lên chính là nhược điểm của phương pháp này Proactive routing bao gồm hai loại chính là Link State

và Distance Vector Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu OLSR (Optimized Link State Routing) và giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần tự

đích DSDV (Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là hai ví dụ của giao thức định tuyến proactive

2.2.1.2 Giao thức định tuyến Reactive

Reactive protocol là giao thức định tuyến dựa theo yêu cầu, tức là đường đi chỉ được xác định khi các nút có nhu cầu truyền gói tin Phương pháp này hạn chế được thông tin tiêu đề chọn đường, nhưng nhược điểm cơ bản là gây trễ lớn cho các khung truyền dẫn đầu tiên cũng như thời gian chọn đường dẫn chậm Hai giao thức reactive điển hình là giao thức định tuyến vector khoảng cách theo yêu cầu AODV

(On-demand Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing)

Một khi xảy ra lỗi tại nút, các giao thức định tuyến thường khôi phục đường dẫn bằng phương pháp thiết lập tuyến mới Hầu hết các tiếp cận hiện nay đều sử dụng thông tin phản hồi tới thiết bị nguồn nhằm khởi tạo tuyến mới, vì vậy lưu lượng bản tin trao đổi rất lớn và tăng lên rất nhanh khi kích thước mạng lớn, nhất là đối với các giao thức định tuyến proactive Khi kích thước mạng tăng cũng đồng nghĩa với

sự suy giảm hiệu năng mạng do hiện tượng trễ của thủ tục định tuyến và truyền khung đầu tiên tăng lên rất lớn nếu sử dụng giao thức định tuyến reactive

2.2.1.3 Giao thức định tuyến Hybrid

Hybrid protocol là giao thức lai giữa hai loại giao thức trên, tiêu biểu là hai giao

thức ZRP (Zone Routing Protocol) và TORA (Temporally Ordered Routing

Algorithm ) Vì là giao thức lai giữa reactive và proactive nên những giao thức thuộc

loại Hybrid có thể khắc phục những nhược điểm của hai loại giao thức trên

2.2.2 Lựa chọn giao thức định tuyến thích hợp phát triển cho mạng VANET

Trong khi giao thức định tuyến Proactive sinh ra rất nhiều thông tin tiêu đề để xây dựng bảng định tuyến các giao thức định tuyến Proactive được đưa ra với mục đích

cung cấp tuyến truyền tới nút mạng đích ngay lập tức mỗi khi có yêu cầu Tuy nhiên, đối với VANET, các nút mạng có vận tốc chuyển động lớn và lượng thiết bị tham gia mạng lớn thì việc bảng định tuyến bị thay đổi thường xuyên cũng như thời gian hội tụ lớn sẽ trở thành bất lợi của các giao thức định tuyến loại này

Giao thức định tuyến Reactive và Hybrid, xét trên phạm vi rộng thì đều sử dụng

phương pháp định tuyến theo yêu cầu Điểm khác nhau ở chỗ, giao thức định tuyến

Hybrid có chủ động hơn trong việc quản lý các nút mạng trong phạm vi lân cận nó Điều này giúp giảm đi thời gian trễ trong việc định tuyến giữa các nút mạng

Chính vì những lý do nói trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn phương thức định tuyến

Hybrid để nghiên cứu phát triển và tích hợp những cơ chế gia tăng nhằm thích ứng với đặc thù của mạng VANET

2.3 Định tuyến tùy biến theo vị trí và cân bằng tải

Mạng VANET có đặc trưng là các thiết bị di chuyển với vận tốc lớn cho nên tài nguyên băng thông rất hạn chế Trước thách thức như vậy, giao thức định tuyến trong mạng VANET cần phải đáp ứng được các tiêu chí thiết kế sau:

- Giao thức đảm bảo hỗ trợ kết nối đa chặng trong mạng VANET

Để đáp ứng những yêu cầu đó, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phát triển giao thức định tuyến GPSR-MA-LA dựa trên giao thức định tuyến hybrid GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)

Thuật toán Greedy forwarding: Trong chế độ Greedy forwarding, nút X chuyển tiếp gói tin đến hàng xóm Y – nút gần đích nhất

- Nhận gói dữ liệu ở chế độ Greedy

- Gửi gói dữ liệu ứng dụng chứa phần header của GPSR lên lớp ứng dụng bên trên (upper application) nếu như gói gửi đến có cùng vị trí với nút hiện tại

- Gửi và nhận được toàn bộ gói đến lớp ứng dụng bên trên nếu như GPSR chạy ở chế độ loosely-coupled (liên kết lỏng lẻo)

Hình 2-2 Greedy forwarding

- Chuyển tiếp gói đến hàng xóm gần nhất nếu như GPSR chạy ở chế độ tightly-coupled (liên kết chặt)

Thuật toán Perimeter forwarding: Như vậy là thuật toán Greedy hoàn toàn có thể

có lỗi, khi đó thuật toán Perimeter được áp dụng thông qua quy tắc bàn tay phải

nhằm xác định đường đi tới đích, sơ đồ hoạt động được mô tả như sau:

Hình 2-4 Thuật toán Perimeter

- Nhận gói dữ liệu ở chế độ Perimeter

- Gửi gói dữ liệu ứng dụng chứa phần header của GPSR lên lớp ứng dụng bên trên (upper application) nếu như gói gửi đến có cùng vị trí với nút hiện tại

- Gửi và nhận được toàn bộ gói đến lớp ứng dụng bên trên nếu như GPSR chạy ở chế độ Loosely-coupled (liên kết lỏng lẻo)

- Chuyển tiếp từ chế độ Perimeter sang chế độ Greedy nếu như khoảng cách từ nút hiện tại đến nút đích ngắn hơn với khoảng cách của nút trước đó đến đích

Thuật toán Perimeter định tuyến theo con đường dài nhất đến đích nên hoạt động ít hiệu quả Chính vì lý do này mà người ta kết hợp hai thuật toán Greedy và Perimeter với nhau để tạo ra bản GPSR chuẩn, nhằm sử dụng thuật toán định tuyến cần thiết để tìm ra con đường tối ưu trong topo