Ảnh hưởng của mô hình di động lên định tuyến trong mạng Vanet

Cácthiết bị chuyển động trong mạng kết nối và liên lạc với điểm truy cập gần nhất nằm trongbán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạng Ad-hoc, là một tập hợp các nút mạngchuyển động kh

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nướctrên thế giới Những thiết bị chuyển động tiên tiến ra đời tương thích với các thế hệchuyển động tiên tiến Mô hình mạng MANET đã được triển khai và ứng dụng phổ biếntại thị trường Việt Nam từ nhiều năm nay Nó giúp cho các thiết bị chuyển động có thểkết nối với nhau mọi lúc mọi nơi dựa trên công nghệ truy cập của mạng Ad Hoc màkhông cần thiết phải triển khai cơ sở hạ tầng phức tạp Tuy nhiên, không dừng ở đó, thếgiới đang tiến tới một công nghệ mới hơn, đó chính là mạng chuyển động tùy biếnVANET hay còn gọi là mạng xe cộ bất định VANET

Trong mạng xe cộ bất định VANET, mỗi chiếc xe chuyển động trên đường đượccoi như một nút mạng Các nút này đều có khả năng di chuyển nên sẽ không có một nútmạng nào cố định để thực hiện chức năng điều khiển trung tâm và chúng trao đổi thôngtin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và của mạngVANET nói riêng Các giao thức đó đều tập trung vào giải quyết những hạn chế đặc biệtcủa mạng này, đó là vấn đề băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tínhtoán của thiết bị thấp…

Nhưng hiện nay việc nghiên cứu đánh giá giao thức định tuyến trong VANET đã

bỏ qua các yếu tố thực tế nên đã ảnh hưởng nhiều đến việc đánh giá khả năng định tuyếncủa các giao thức Chính vì thế, việc nghiên cứu các mô hình chuyển động trong VANET

để đánh giá sự ảnh hưởng đến giao thức định tuyến là điều rất quan trọng Với đề tài này,chúng em muốn cung cấp cái nhìn về sự ảnh hưởng của các mô hình chuyển động thực tếđối với các giao thức định tuyến trong VANET

Đề tài gồm có 3 phần:

 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET.

 CHƯƠNG II: MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG MẠNG MANET

ÁP DỤNG CHO MẠNG VANET.

 CHƯƠNG III: SO SÁNH MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG ĐÔ THỊ TRONG MẠNG VANET.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 6

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 7

1.1 MẠNG VANET 7

1.1.1 Sơ lược về mạng không dây 7

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET 8

1.1.3 Các thách thức đối với mạng VANET 11

1.1.4 Cấu trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET 12

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính chuyển động trong VANET 15

1.2.1 Giao diện đường phố 15

1.2.2 Kích thước vùng 15

1.2.3 Cơ chế điều khiển giao thông 16

1.2.4 Chuyển động xe cộ phụ thuộc lẫn nhau 16

1.2.5 Tốc độ trung bình 16

1.3 Kết luận 17

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG MẠNG MANET ÁP DỤNG CHO MẠNG VANET 18

2.1 Các mô hình chuyển động trong mạng MANET 18

2.2 Những mô hình chuyển động dựa trên sự ngẫu nhiên 19

2.3 Những mô hình chuyển động xe cộ thực tế 20

2.4 Các mô hình chuyển động trong VANET 21

2.4.1 Kí hiệu 22

2.4.2 Các mô hình ngẫu nhiên 23

2.4.3 Mô hình luồng giao thông 26

2.4.4 Mô hình các xe theo sau 27

2.4.5 Mô hình dấu hiệu dừng 31

2.4.6 Mô hình dừng chờ ngẫu nhiên 31

2.4.7 Mô hình đèn giao thông 32

2.4.7.1 Phối hợp đèn giao thông 32

2.4.7.2 Tăng và giảm tốc độ 32

2.4.7.3 Đa làn 32

2.4.7.4 Tạo các phiên bản TLM 33

2.5 Kết luận 33

CHƯƠNG III: SO SÁNH MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG ĐÔ THỊ TRONG MẠNG VANET 34

3.1 Giao thức định tuyến AODV 34

3.1.1 Thuật toán và loại định tuyến 34

3.1.2 Khám phá đường định tuyến 34

3.1.3 Duy trì và cập nhật bảng định tuyến 35

3.1.4 Sửa chữa tuyến lỗi trong giao thức định tuyến AODV 37

3.1.5 Ưu và nhược điểm của giao thức định tuyến AODV 37

3.2 Kịch bản so sánh mô hình chuyển động đô thị trong mạng VANET 38

3.2.1 Thay đổi số lượng xe 39

3.2.2 Thay đổi tốc độ xe 41

3.2.3 Thay đổi thời gian chờ đợi tại các ngã tư 43

3.3 Kết luận 44

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hai mô hình mạng không dây: mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc 7

Hình 1.2: Mô hình mạng VANET 8

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống mạng VANET 11

Hình 1.4: RSU mở rộng khoảng giao tiếp 13

Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin 14

Hình 2.1: Ký hiệu lưu lượng xe cộ 21

Hình 3.1: Quy trinh thiêt lập tuyến AODV 34

Hình 3.2: Sơ đồ minh họa nguyên nhân gây lỗi trong quá trình cập nhật định tuyến. 36

Hình 3.3: Sự thay đổi của tỷ lệ chuyển gói theo số lượng xe Biểu đồ trình bày mối quan hệ về hiệu suất của tất cả các mô hình chuyển động được đánh giá 39

Hình 3.4: Sự thay đổi của trễ truyền dẫn theo số lượng xe Trong tất cả các mô hình, trễ truyền dẫn giảm khi số lượng xe tăng, nhưng sau đó tăng mạnh khi số lượng xe tăng thêm 40

Hình 3.5 So sánh mô hình đơn/ đa làn, tăng/ giảm tốc độ dưới số lượng xe khác nhau và thời gian trễ từ đầu đến cuối của nó 41

Hình 3.6: Tỷ lệ chuyển gói với tốc độ tối đa của xe Khi tốc độ tăng thì giảm tỷ lệ chuyển gói 42

Hình 3.7: Tỷ lệ chuyển gói với thời gian chờ đợi tối đa ở các giao lộ Làm ổn định mô hình chuyển động khiến tỷ lệ chuyển gói tăng cao 43

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

VANET Vehicle Ad hoc Network

V2V Vehicle to Vehicle Communication

V2I Vehicle to Road Intrastructure

M2M Machine-to-Machiner Communication

MANET Mobile Ad-hoc Network

Traffic Light Model

Stop Sign ModelProbabilistic Traffic Sign Model

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 1.1 MẠNG VANET

1.1.1 Sơ lược về mạng không dây

Mạng máy tính từ lâu đã trở thành một thành phần không thể thiếu đối với nhiềulĩnh vực đời sống xã hội, từ các hệ thống mạng cục bộ dùng để chia sẻ tài nguyên trongđơn vị đến hệ thống mạng toàn cầu như Internet Các hệ thống mạng hữu tuyến và vôtuyến đang ngày càng phát triển và phát huy vai trò của mình

Mạng không dây là mạng không dùng dây cáp cho các kết nối mà sử dụng sóngradio trong không gian để kết nối các máy tính với nhau

Mặc dù mạng không dây đã xuất hiện từ nhiều thập niên nhưng cho đến nhữngnăm gần đây, với sự bùng nổ của các thiết bị chuyển động thì nhu cầu nghiên cứu và pháttriển các hệ thống mạng không dây ngày càng trở nên cấp thiết Nhiều công nghệ phầncứng, chuẩn vô tuyến và các giao thức lần lượt ra đời và đang được tiếp tục nghiên cứu,phát triển

Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị chuyển động nên không

bị ràng buộc cố định về địa lý như trong mạng hữu tuyến Ngoài ra ta còn có thể dễ dàng

bổ sung hay thay thế các thiết bị tham gia mạng mà không cần phải cấu hình toàn bộTopology của mạng Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất của mạng không dây là tốc độ truyềnchưa cao so với mạng hữu tuyến Bên cạnh đó, khả năng bị nhiễu và mất gói tin cũng làvấn đề đáng quan tâm

Về cơ bản, mạng không dây có thể chia làm hai loại chính: thứ nhất là mạng hạtầng có các cổng kết nối hữu tuyến và cố định thường được gọi là các điểm truy cập Cácthiết bị chuyển động trong mạng kết nối và liên lạc với điểm truy cập gần nhất nằm trongbán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạng Ad-hoc, là một tập hợp các nút mạngchuyển động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời màkhông sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự quản lý tập trung nào

Hình 1.1: Hai mô hình mạng không dây: mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET

Mạng VANET - Vehicular Ad Hoc Network là mạng xe cộ tùy biến không dây,một phần đặc biệt của mạng chuyển động Ad- hoc VANET cung cấp trao đổi không dâygiữa xe với xe và xe với thiết bị lề đường Thông tin liên lạc giữa các xe được sử dụngcho sự an toàn, thoải mái và và giải trí tốt để cung cấp cho hành khách một hành trìnhthoải mái

Mạng VANET sử dụng các xe di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nênmột mạng chuyển động VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router haymột nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bánkính từ 100 đến 300 mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng Do các xe cóthể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể thamgia, kết nối với các phương tiện khác trên một mạng Internet chuyển động được tạo nên.Trong thực tế, hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và

lính cứu hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảmbảo an ninh trật tự.

Hình 1.2: Mô hình mạng VANET

Xe có thể giao tiếp trực tiếp với các loại xe khác để hình thành hệ thống truyềnthông giữa xe với xe (V2V) hoặc giao tiếp với thiết bị cố định bên cạnh đường, gọi tắt làđơn vị bên đường (RSU) tạo thành hệ thống thông tin liên lạc giữa xe với cơ sở hạ tầng(V2I)

Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tìnhtrạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cảnhững dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,… Các xe sẽ liên lạc với nhau(Car-to-Car Communication hay M2M (Machine-to-Machiner Comnunication) để chia sẻthông tin lẫn nhau

Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng hoc MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và sử dụng đườngtruyền vô tuyến Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở chỗ: cácnút mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu chonhau

Ad-VANET có những đặc tính riêng của mình khi so sánh với các loại MANETs,những đặc tính riêng của VANET bao gồm:

 Khả năng dự đoán chuyển động: VANET khác với các loại mạng chuyển động

ad hoc Trong đó, các nút di chuyển một cách ngẫu nhiên vì xe bị hạn chế bởi cấutrúc liên kết, bố trí đường bộ và yêu cầu phải tuân theo vạch dấu hiệu và đèn giaothông và để đáp ứng với xe di chuyển khác Dẫn đến việc dự báo nằm trong khảnăng thực hiện

 Khả năng tính toán cao: Bởi vì các nút trong VANET là xe, chúng có thể được

trang bị đủ số lượng cảm biến và các tài nguyên tính toán; như bộ vi xử lý, mộtdung lượng bộ nhớ lớn, công nghệ tiên tiến và ăng-ten hệ thống định vị toàn cầu(GPS) Những nguồn này tăng khả năng tính toán của các nút, giúp đạt đượctruyền thông không dây đáng tin cậy và có được thông tin chính xác liên quan đến

vị trí hiện tại, tốc độ và hướng của phương tiện

 Cung cấp lái xe an toàn, cải thiện sự thoải mái và nâng cao hiệu quả giao thông: VANET cung cấp thông tin liên lạc trực tiếp giữa các phương tiện di

chuyển, do đó cho phép một tập hợp các ứng dụng, yêu cầu liên lạc trực tiếp giữacác nút được áp dụng qua mạng Ứng dụng này có thể cung cấp cho lái xe nhữngchỉ dẫn với thông điệp cảnh báo về tai nạn, hoặc về sự cố đột ngột Hơn nữa, cóthể bổ sung các ứng dụng được áp dụng thông qua kiểu mạng này để cải thiện sựthoải mái của hành khách và hiệu quả giao thông bằng cách phổ biến thông tin vềthời tiết, lưu lượng giao thông và các điểm thông tin quan tâm (trạm xăng dầu,trung tâm mua sắm và thức ăn nhanh)

 Không hạn chế năng lượng: Năng lượng trong VANET không phải là một thách

thức quan trọng như trong MANETs, vì xe có khả năng cung cấp điện liên tục chotuổi thọ pin dài

 Mật độ mạng khác biệt: Mật độ mạng trong VANET khác nhau tùy thuộc vào mật

độ giao thông, có thể rất cao trong trường hợp của một ách tắc giao thông, hoặc rất

thấp, như trong giao thông ngoại thành, nông thôn

 Mạng quy mô lớn: Quy mô mạng lưới có thể là lớn ở các khu vực đô thị đông đúc

như trung tâm thành phố, đường cao tốc và ở lối vào của các thành phố lớn

 Thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng: tốc độ cao tiêu biểu cho

phương tiện di chuyển, đặc biệt là đường cao tốc dẫn đến những thay đổi nhanhchóng trong cấu trúc liên kết mạng Hơn nữa, hành vi lái xe bị ảnh hưởng bởi các

dữ liệu nhận được từ mạng, gây ra những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng.Thời gian sử dụng liên kết giữa các xe bị ảnh hưởng bởi nhiều thông tin vô tuyến

và sự chuyển động của phương tiện Thời gian sử dụng liên kết giữa các phương

tiện di chuyển theo hướng ngược nhau là rất ngắn so với trường hợp các phươngtiện di chuyển theo cùng một hướng Những thay đổi nhanh chóng trong kết nốiliên kết gây ra đường kính mạng hiệu quả là nhỏ, trong khi nhiều liên kết bị ngắtkết nối trước khi chúng có thể được sử dụng

1.1.3 Các thách thức đối với mạng VANET

Một số vấn đề đã phát sinh khi ta cố gắng cung cấp một giải pháp cải tiến đối vớikhả năng điều khiển của chủ phương tiện, với mục tiêu giảm số lượng tử vong do tai nạngiao thông Để thực hiện các yêu cầu đó, việc triển khai VANET thực sự cần thiết Nhiềuyếu tố có tác động lớn vào việc đạt được mục tiêu đó cần phải xem xét, tiêu biểu như cácứng dụng an toàn và các ứng dụng không an toàn Những yếu tố đó là rất quan trọng đểxác định những thách thức trong mạng VANET Những thách thức đó như sau:

Tín hiệu yếu dần: Vật cản trở thành trở ngại lớn trong việc giao tiếp giữa hai xe.

Đó là một trong những thách thức mà có thể ảnh hưởng hiệu quả của VANET Những vậtcản này có thể là các loại xe khác hoặc các tòa nhà phân bố dọc theo những con đường,đặc biệt là ở các thành phố Tác động của chúng là ngăn chặn các tín hiệu từ nguồn tớiđích hoặc làm yếu chúng

Giới hạn băng thông: Một vấn đề quan trọng trong VANET là không có một điều

phối viên trung tâm điều khiển các thông tin liên lạc giữa các nút, và trong đó có tráchnhiệm quản lý các hoạt động tranh chấp băng thông Vì vậy nó cần phải sử dụng băngthông sẵn có một cách hiệu quả Xác suất khá cao mà tắc nghẽn kênh có thể xảy ra dophạm vi giới hạn của tần số băng thông (10 - 20 MHz) cho các ứng dụng VANET, đặcbiệt là trong môi trường mật độ cao Việc sử dụng hợp lý băng thông có tác động làmgiảm thời gian trễ để quảng bá thông báo Nếu một chiếc xe cần gửi một tin nhắn màkhông tìm thấy cơ hội để truyền, nó phải chờ đợi một thời gian để có thể truyền, gây raảnh hưởng là tăng độ trễ, đặc biệt ở khu vực đô thị với sự gia tăng nhiều ứng dụngVANET

Kết nối: Do tính chuyển động cao và thay đổi nhanh chóng của cấu trúc liên kết,

dẫn đến sự phân mảnh thường xuyên của mạng lưới Thời gian tồn tại của các liên kết cầnkéo dài càng lâu càng tốt Việc này có thể được thực hiện bằng cách tăng công suấttruyền Nhưng có thể dẫn đến hao phí Theo đó, kết nối được coi là một vấn đề quantrọng trong VANET, mặc dù nhiều nghiên cứu trong Manet đã tập trung vào giải quyếtvấn đề này Tuy nhiên, nó vẫn chiếm một phần lớn trong các nỗ lực tập trung hướng tới

sự phát triển VANET

Vùng hiệu quả nhỏ: Do đường kính của một mạng VANET hiệu quả nhỏ, dẫn

đến kết nối yếu trong thông tin liên lạc giữa các nút Do đó, việc duy trì hoàn chỉnh cấutrúc liên kết toàn bộ mạng là không thể thực hiện cho một nút

An ninh và sự riêng tư: Thiết lập một sự cân bằng hợp lý giữa an ninh và sự riêng

tư là một trong những thách thức chính trong VANET Việc nhận được thông tin đáng tincậy từ một nguồn là quan trọng đối với một nút Tuy nhiên, thông tin đáng tin cậy này cóthể vi phạm các nhu cầu riêng tư của nguồn đó

Giao thức định tuyến: Do khả năng chuyển động cao của các nút và cấu trúc liên

kết nhanh chóng thay đổi, nên việc thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả mà có thểcung cấp một gói tin trong một thời gian tối thiểu được coi là một thách thức quan trọngtrong VANET Hơn nữa, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào thiết kế một giao thứcđịnh tuyến thích hợp cho môi trường có mật độ xe cao với khoảng cách giữa chúng là rấtgần Thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả có tác động cải thiện nhiều yếu tố, yêucầu đầu tiên là tăng cường độ tin cậy của hệ thống bằng cách tận dụng tỷ lệ phân phối cácgói tin, thứ hai là giảm mức độ can thiệp gây ra bởi các tòa nhà cao trong môi trườngthành phố, yếu tố thứ ba là yêu cầu khả năng mở rộng tốt để tránh xung và yếu tố nữa là

có thể cung cấp một gói tin trong thời gian ngắn nhất có thể, đặc biệt là trong các tìnhhuống khẩn cấp, yếu tố này được coi là một yếu tố rất quan trọng

1.1.4 Cấu trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET.

 Trong xe: Bao gồm một OBU và nhiều AU bên trong một chiếc xe AU thực hiện

một tập hợp các ứng dụng sử dụng khả năng giao tiếp của OBU Một OBU đượctrang bị một thiết bị truyền thông (tầm ngắn) cho an toàn, có khả năng lựa chọncác thiết bị liên lạc (giao tiếp an toàn và không an toàn) Sự khác biệt giữa AU vàOBU là logic, chúng cũng có thể trong cùng một đơn vị vật lý

 Adhoc: Miền Adhoc bao gồm các loại xe được trang bị OBU và trên đường có các

RSU để hình thành mạng VANET OBU hình thành một mạng lưới cho phép giaotiếp giữa các nút Nếu tồn tại kết nối không dây OBU trực tiếp giao tiếp, sử dụng

đa hop để chuyển tiếp dữ liệu

 Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng bao gồm RSU và các điểm nóng không dây (HT),

các xe có thể truy cập cho các ứng dụng an toàn và không an toàn RSU truy cậpInternet thường được thiết lập bởi các quản trị viên và các cơ quan khác Hai loạitruy nhập cơ sở hạ tầng, RSU và HT, tương ứng với các loại ứng dụng khác nhau.Không phải RSU, cũng không phải HT truy cập Internet, mà OBU có thể giao tiếpvới mạng chuyển động (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) được tíchhợp ở OBU, đặc biệt là các ứng dụng an toàn

On – Board Unit (OBU)

OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I Nó cũng cung cấp dịch

vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng Adhoc MộtOBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên công nghệ802.11p Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên quantrong mạng Adhoc Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền không antoàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n Các chứcnăng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không dây, định tuyến dựa vào vị trí địa

lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an ninh quan trọng…

Road – Side Unit (RSU)

RSU là một thiết bị vật lý có các vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí chuyêndụng như trạm xăng, bãi đỗ xe, nhà hàng Một RSU được trang bị ít nhất một thiết bịmạng giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên IEEE 802.11p Một RSU cũng có thể đượctrang bị các thiết bị mạng khác để cho phép liên lạc với một mạng lưới cơ sở hạ tầng.Tổng quan về RSU như sau:

o Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng Adhoc có nghĩa là phân phối lại thông tin

để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn

o Chạy các ứng dụng an toàn, chẳng hạn như cảnh báo cho V2I (cảnh báo cầuthấp, công trường thi công,…) và hoạt động như nguồn và nhận.

o Cung cấp kết nối Internet cho OBU

Hình 1.4: RSU mở rộng khoảng giao tiếp

Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới đặc tính chuyển động trong VANET

Mô hình chuyển động của các nút trong mạng VANET ảnh hưởng đến khả năngđịnh tuyến, bảo dưỡng, đồng bộ và cơ chế sao lưu dữ liệu Tại bất kỳ thời điểm nào,mạng VANET cũng tồn tại nút tĩnh (không chuyển động) và nút động (di chuyển) Cácnút tĩnh làm giảm sự thay đổi cấu trúc liên kết trong mạng và quá trình định tuyến ổnđịnh hơn, có tác dụng như các điểm chuyển tiếp cho các gói tin đến và đi đến các nút lâncận Mặt khác, các nút động được mang vào hệ thống một cách ngẫu nhiên dẫn tới việcthường xuyên phải cập nhật định tuyến và thậm chí còn làm mất mát các gói tin

1.2.1 Giao diện đường phố

Việc bố trí các tuyến đường có tác dụng giới hạn sự chuyển động của các nútmạng, lựa chọn được các tuyến đường tốt nhất Sự chuyển động được giới hạn này giúp

ta xác định, phân bố không gian và liên kết cho các nút mạng Trong ảnh hưởng này,nhấn mạnh tầm quan trọng của yếu tố phạm vi truyền dẫn của các nút, bởi vì việc bố trícác tuyến đường có thể dẫn tới việc các xe đi trên các tuyến đường song song cách xanhau có thể cho ra khỏi phạm vi giao tiếp Các tuyến đường có thể có một hay nhiều làn

xe, một chiều hoặc hai chiều

1.2.2 Kích thước vùng

Khu vực đô thị thường được chia thành các vùng với diện tích khác nhau và đượcbao quanh bởi các tuyến đường Các tuyến đường ở khu vực đô thị, khu trung tâm thìthường nhỏ hơn các tuyến đường ở các vùng nông thôn Kích thước vùng mạng cũng phụthuộc nhiều vào mật độ nút mạng tại khu vực đó, được xác định lần lượt dựa trên tần xuấtmỗi lần xe dừng lại Ngoài ra nó cũng xác định xem liệu tại các nút giao thông lân cận cóthể bắt được tín hiệu radio từ các nút khác hay không Nếu khối liên kết mạng lớn, nútgiao thông phân cách thành nhiều phần và phân vùng mạng, kết quả là hiệu suất trao đổithông tin bị suy giảm

1.2.3 Cơ chế điều khiển giao thông

Cơ chế điều khiển giao thông thường được sử dụng tại các nơi đường giao nhau làdừng lại hoặc đi tiếp theo chỉ dẫn của tín hiệu đèn Khi có đèn đỏ thì các xe phải dừng lạitrong một khoảng thời gian ngắn khoảng tầm vài chục giây cho đến khi đèn chuyển xanhthì mới được đi tiếp Điều này dẫn đến việc các xe xếp thành hang dài nối đuôi nhau, vìvậy làm giảm tốc độ lưu thông của chúng Hơn thế nữa, còn gián tiếp làm giảm tínhchuyển động trong mạng khi có thêm nhiều các nút tĩnh hơn và sự thay đổi định tuyến

xảy ra với tốc độ chậm hơn Mặt khác, việc hình thành các cụm xe cũng có thể gây ra ảnhhưởng xấu đến hiệu suất truyền tin của mạng với việc gia tăng sự chiếm dụng các kênhsóng và tăng phân vùng mạng.

1.2.4 Chuyển động xe cộ phụ thuộc lẫn nhau

Mỗi xe khi di chuyển trên đường thì không thể không để ý đến những hạn chế vật

lý gây ra bởi cấu trúc đường phố và các xe ở gần đó Mỗi chuyển động của xe bất kỳ thìđều ảnh hưởng tới sự chuyển động của các xe xung quanh nó Chẳng hạn, một chiếc xemuốn duy trì khoảng cách an toàn tối thiểu với xe phía trước thì phải tăng hoặc giảm tốc

độ hoặc chuyển làn đường để tránh ùn tắc giao thông

1.2.5 Tốc độ trung bình

Tốc độ của xe sẽ quyết định đến sự thay đổi vị trí của nó nhiều hay ít, qua đó cũngquyết định tốc độ thay đổi cấu trúc topo mạng Giới hạn tốc độ tối đa cho phép trên mỗicon đường sẽ xác định tốc độ di chuyển trung bình của xe và mức độ thường xuyên cậpnhật các tuyến đường hiện hành đang sửa chữa hoặc các tuyến đường mới được đưa vàohoạt động Ngoài ra, việc các xe tăng hoặc giảm tốc độ và cấu trúc của đường đi cũng ảnhhưởng tới tốc độ trung bình của xe, chẳng hạn như nếu một tuyến đường có ít các nútgiao thông ( ngã ba, ngã tư, nơi giao nhau của các tuyến đường…) thì đồng nghĩa là các

xe có thể di chuyển với một tốc độ cao hơn trong một khoảng thời gian dài hơn việc phải

di chuyển trên những tuyến đường ngắn, nhiều nút giao nhau

1.3 Kết luận

Phần này đề cập tới các yếu tố trong mô hình chuyển động của mạng VANET vànhững ảnh hưởng của chúng Các yếu tố này cần được xem xét và cân nhắc khi tiến hànhphân tích các kết quả mô phỏng hiệu suất mạng Trước hết, là sự rằng buộc với các tuyếnphố hiện hành, việc bố trí các tuyến đường có tác dụng giới hạn sự chuyển động của cácnút mạng, lựa chọn được các tuyến đường tốt nhất Điều này là rất quan trọng trong việcxây dựng topo mạng bởi vì mỗi mô hình mạng chuyển động khác nhau thì có hiệu suấtmạnh yếu khác nhau Ví dụ, với những vùng mạng nhỏ thì sẽ cho ta kết quả rất khác sovới khi thực hiện tại các vùng mạng lớn, tại đó phạm vi truyền dẫn của các nút không đủ

để thực hiện một mạng hợp lý

Vì vậy, các yếu tố này phải được tính toãn kĩ lưỡng khi bắt tay vào xây dựng môhình chuyển động xe cộ trong mạng VANET, và khi thực hiện mô phỏng một mạng thìcần phải xem xét và đặt nó trong bối cảnh của các cấu trúc liên kết mà tại đó mô phỏngđược tiến hành

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG TRONG MẠNG MANET ÁP DỤNG

CHO MẠNG VANET

2.1 Các mô hình chuyển động trong mạng MANET

Mô hình chuyển động được thiết kế để mô tả cách di chuyển của người điều khiểnchuyển động và vị trí của họ, sự thay đổi vận tốc và gia tốc theo thời gian Các mô hìnhchuyển động đóng một vai trò quan trọng trong việc áp dụng thực tế để khảo sát và đánhgiá giao thức định tuyến Việc sử dụng những kịch bản thực tế, sự quan sát và những kếtluận được rút ra từ những nghiên cứu mô phỏng để đánh giá giao thức định tuyến không

bị nhầm lẫn

Một số mô hình chuyển động thực tế đặc trưng cho mạng MANET sau:

1 Mô hình chuyển động bước ngẫu nhiên: Trong mô hình này có khá nhiều biến thể

đây là một mô hình chuyển động đơn giản dựa trên sự ngẫu nhiên của chiềuchuyển động và vận tốc

2 Mô hình chuyển động điểm định hướng ngẫu nhiên: Đặc điểm mô hình này các nút

di chuyển ngẫu nhiên và mỗi khi thay đổi đích đến và tốc độ thì sẽ bị tạm dừngtrong một khoảng thời gian

3 Mô hình chuyển động điều khiển ngẫu nhiên: mô hình các xe di chuyển đến vùng

biên của mô phỏng trước khi đổi chiều chuyển động và vận tốc

4 Mô hình chuyển động mô phỏng một vùng không giới hạn: mô hình mà chuyển đổi

một vùng mô phỏng 2D hình chữ nhật vào trong vùng mô phỏng hình xuyến Các

xe sẽ đi theo hình xuyến vì vậy không giới hạn về điểm đích

5 Mô hình chuyển động Gauss-Markov: Một mô hình mà sử dụng thông số điều

chỉnh để thay đổi mức độ ngẫu nhiên trong mô hình chuyển động

6 Một phiên bản theo xác suất của mô hình chuyển động bước ngẫu nhiên: sử dụng

một tập hợp các xác suất để xác định vị trí tiếp theo

7 Mô hình chuyển động trong khu vực thành phố: khu vực mô phỏng mà tượng

trưng cho các tuyến đường trong thành phố Ví dụ như các mô hình SSM, TLM…Trong phần tiếp theo trong chương II sẽ mô tả mô hình chuyển động đầu tiên vàđang là những mô hình được sử dụng rộng rãi trong các mô phỏng của MANET

2.2 Những mô hình chuyển động dựa trên sự ngẫu nhiên

Trong những mô hình chuyển động dựa trên sự ngẫu nhiên, các nút chuyển động

di chuyển một cách tự do mà không có những sự hạn chế Cụ thể, các điểm đến, tốc độ vàchiều chuyển động đều được lựa chọn ngẫu nhiên và độc lập với các nút khác

Mô hình chuyển động điểm định hướng ngẫu nhiên trong đó các nút di chuyển độclập tới các đích đến được lựa chọn một cách ngẫu nhiên với một tốc độ ngẫu nhiên Ngaysau đó, nó đã trở thành một mô hình chuyển động “Chuẩn” để đánh giá các giao thứcđịnh tuyến MANET, bởi vì sự đơn giản và tiện lợi

Trong mô hình chuyển động điểm định hướng ngẫu nhiên, một nút bắt đầu từ một

vị trí khởi đầu và di chuyển hướng tới một điểm đích được chọn ngẫu nhiên trên vùng môphỏng với tốc độ không đổi Tốc độ chuyển động được chọn ngẫu nhiên và quỹ đạo dichuyển là một đường thẳng Khi nó đi đến đích, nó tạm dừng một khoảng thời gian vàsau đó sẽ chọn một điểm đích đến khác cùng với một tốc độ ngẫu nhiên khác và dichuyển đến đó Quá trình này được lặp đi lặp lại trong suốt quá trình mô phỏng Sự đơngiản của mô hình chuyển động điểm định hướng ngẫu nhiên có thể là một lý do để nóđược sử dụng rộng rãi trong mô phỏng

Ban đầu mô hình bước ngẫu nhiên được đề xuất để mô phỏng sự chuyển động củacác hạt trong vật lý vì những chuyển động này là không thể dự đoán được, trong đó cácnút di chuyển một cách bất ngờ Mô hình bước ngẫu nhiên có nét tương đồng với môhình điểm chuyển động định hướng ngẫu nhiên bởi vì sự chuyển động của các nút có tínhngẫu nhiên mạnh trong cả hai mô hình Chúng ta có thể nghĩ rằng mô hình bước chuyểnđộng ngẫu nhiên là đặc trưng của mô hình điểm chuyển động định hướng ngẫu nhiên vớithời gian dừng lại là 0

Tuy nhiên, trong mô hình bước ngẫu nhiên, các nút thay đổi tốc độ chuyển động

và hướng di chuyển ở mỗi khoảng thời gian nghỉ Đối với các khoảng thời gian t mới, cácnút sẽ là ngẫu nhiên và không được thông báo việc chọn chiều chuyển động mới  t của

nó trong khoảng (0, 2 ] Theo cách tương tự, tốc độ mới v t tuân theo phân bố đều hoặcphân bố Gaussian trong đoạn 0,Vmax Do đó, trong thời gian t, các nút di chuyển vớivector vận tốc v t cos   t v t, sin t  Nếu nút di chuyển theo các quy định trên vàđạt đến giới hạn của phạm vi mô phỏng, các nút sẽ di chuyển quay lại phạm vi mô phỏngvới các góc  t hoặc    t tương ứng

Mô hình bước ngẫu nhiên là một quá trình chuyển động không nhớ thông tin vềtình trạng trước đó, và không sử dụng cho quyết định chuyển động trong tương lai

Đó là để nói, vận tốc hiện tại là độc lập với vận tốc trước đó và ngược lại Tuynhiên, có thể thấy rằng mô hình này không phải là các trường hợp thường thấy của cácnút chuyển động trong đời sống thực tế.

2.3 Những mô hình chuyển động xe cộ thực tế

Các mô hình chuyển động xe cộ được chia ra thành hai loại là vi mô hoặc vĩ mô:

 Khi tập trung vào một điểm vĩ mô, các yếu tố liên quan như những tuyến đường,những con phố, ngã ba ngã tư, tín hiệu đèn giao thông cũng như hệ thống biển báohiệu đều được xem xét Ngoài ra, các vấn đề về trạng thái giao thông như mật độgiao thông, lưu lượng giao thông, và sự phân bố xe ban đầu cũng được xác định

 Các sự tiếp cận vi mô tập trung vào sự chuyển động của mỗi xe riêng lẻ và cách

xử lý của nó với những khía cạnh khác

Tuy vậy, cách tiếp cận vi mô và vĩ mô này dùng để phân tích một mô hình chuyểnđộng nhiều hơn là một mô tả chính thức

Một cách khác việc xem xét và đánh giá các mô hình chuyển động là để xác địnhhai vấn đề chính: những hạn chế chuyển động và trạng thái giao thông Những hạn chếchuyển động mô tả mỗi chiếc xe di chuyển như thế nào (nó là mức độ liên quan đếnchuyển động tự do) và thường thu được từ bản đồ Trong vĩ mô, hạn chế chuyển động làcác tuyến phố hoặc các tòa nhà, nhưng trong vi mô, các ràng buộc được mô hình hóa bởicác xe lân cận, người đi bộ hay hạn chế do sự bố trí đa dạng của các tuyến đường hoặcthậm chí do các hành vi và thói quen điều khiển

Một mô hình chuyển động thực tế phải bao gồm:

1 Những bản đồ mô phỏng phải tương đối chính xác so với thực tế: vì những bản đồnhư vậy sẽ đảm bảo cấu trúc, sự phân bố những con đường, làn đường khác nhauvới vận tốc có liên quan

2 Sự thay đổi vận tốc: trong mô hình chuyển động thực tế có nhiều ảnh hưởng tới sựtăng và giảm tốc độ đều đặn do nhiều yếu tố khác nhau Sự tăng và giảm tốc là đặctrưng trong mô hình thực tế

3 Thời gian mô phỏng: Mật độ giao thông trong ngày là khác nhau tại khác thờiđiểm khác nhau Chẳng hạn như ở giờ cao điểm như đầu giờ sang hoặc xế chiều,chắc chắn mật độ tham gia giao thông sẽ rất cao, thời gian để tới đích sẽ lâu hơn

và ngược lại ở các giờ thấp điểm thì các tuyến đường sẽ trở nên thông thoáng vàmật độ phương tiện lưu thông lúc đó sẽ dễ chịu hơn rất nhiều, tương ứng với thờigian đến đích sẽ nhanh hơn Do đó, thời gian thực hiện mô phỏng cần khác nhau

để đảm bảo thu được kết quả tốt nhất

4 Sự phân bố của các phương tiện: Nó có thể được thấy trong đời sống thực tế, vị tríban đầu của những xe không được phân bố đều trong khu vực mô phỏng, đặc biệttại những địa điểm thu hút Trên thực tế, thiết lập thời gian cũng phụ thuộc vàomật độ của xe tại những nơi đặc biệt thu hút, chẳng hạn như những tòa nhà, nhữngvăn phòng hay những trung tâm mua sắm được yêu thích.

5 Hành vi điều khiển: Những người lái xe tương tác với môi trường xung quanh,không chỉ quan tâm tới những ảnh hưởng cố định trên đường như hệ thống đèn tínhiệu giao thông, hệ thống biển báo hiệu, sự phân chia làn đường, sự giao nhau củacác tuyến phố mà còn để ý tới những trở ngại ngẫu nhiên khác như chuyển độngcủa những xe lân cận và người đi bộ qua đường Theo đó, trong mô hình chuyểnđộn, các phương tiện cần có sự tương tác lẫn nhau về các yếu tố như: sự vượt xe,tai nạn giao thông hoặc tình trạng tắc nghẽn giao thông tại các tuyến đường,, hayđôi khi là sự xuất hiện của các vật thể lạ trên đường

2.4 Các mô hình chuyển động trong VANET

Khi tính chuyển động lần đầu tiên được đưa vào trong mô phỏng của các mạngkhông dây, một số mô hình để tạo ra các mẫu chuyển động của các nút đã được đề xuất.Các mô hình điểm tham chiếu ngẫu nhiên, mô hình chuyển động bước ngẫu nhiên, môhình tham chiếu nhóm, mô hình chế độ nút theo dõi, mô hình Gauss-Markov, chỉ để dẫnchứng những mô hình được biết đến nhiều nhất, tất cả các mô hình này có liên quan bởicác đại lượng ngẫu nhiên chuyển động với tốc độ tuyến tính, không đổi trong phạm viranh giới vùng mô phỏng, hơn nữa là việc thay đổi thời gian chuyển động, khả năng tăngtốc và giảm tốc của các nút Tiêu biểu, mô hình điểm tham chiếu ngẫu nhiên đã được ápdụng thành công Tuy nhiên, bản chất của mô hình chuyển động như vậy là tạo ra các môhình chuyển động với một số chuyển động không giống trong giao thông thực tế Việc sửdụng mạng VANET vào bất kỳ mô hình nào nói trên sẽ tạo ra kết quả hoàn toàn vô ích

Do đó, việc nghiên cứu đi sâu vào việc tìm kiếm các mô hình thực tế hơn

Hình 2.1: Ký hiệu lưu lượng xe cộ

2.4.1 Kí hiệu

Theo kịch bản giao thông xe cộ mô tả trong hình 2.1, chúng ta định nghĩa i làchiếc xe đang được xét tại thời điểm hiện tại Tại một thời điểm xác định t, chiếc xe đang

ở vị trí (t), và chuyển động với tốc độ , có nghĩa là khả năng tăng tốc tức thời của

nó có thể được biểu diễn là Chỉ số i-1 và i + 1 xác định xe ở phía sau và trước đốivới xe i, chúng nằm ở vị trí và và chuyển động với tốc độ và

tương ứng tại thời điểm t Khoảng cách từ đuôi xe phía trước tới mũi xe phía sauhay giữa xe i và i + 1 được xác định là Chỉ số j-1 và j+1 xác định xe phía sau vàtrước đối với xe i, trong hai làn đường khác nhau, xem xét việc thay đổi làn đường.Những chiếc xe này ở tại các vị trí và và chuyển động với tốc độ

và tương ứng Ngoài ra, chúng ta biểu thị các thông số đầu vào để mô tả dichuyển của xe bằng các ký hiệu phù hợp trong các mô hình khác nhau Các kí hiệu được

sử dụng được liệt kê trong bảng 2.1

Thời gian phản ứng người điều khiển

Bước nhảy thời gian

Tốc độ lớn nhấtTốc độ nhỏ nhấtThời gian tiến triển an toàn T

Bảng 2.1: Danh sách các tham số

2.4.2 Các mô hình ngẫu nhiên

Các mô hình ngẫu nhiên là tất cả những mô hình mô tả tính chuyển động mà hạnchế chuyển động ngẫu nhiên của các nút trên đồ thị Các đồ thị đại diện cho một topođường, và sự dịch chuyển là ngẫu nhiên với xe riêng lẻ hoặc một nhóm xe, chúng đi theocon đường bình thường trên đồ thị, thường di chuyển với tốc độ được chọn ngẫu nhiên

Mô hình ngẫu nhiên là những mô hình mô tả về chuyển động xe cộ đơn giản được sửdụng trong nghiên cứu về mạng xe cộ VANETs, chúng không xem xét bất kỳ kết quả lýthuyết giao thông xe cộ nào Các khía cạnh cơ bản như sự tương tác xe với xe (car-to-car)

và mô hình giao nhau không được xem xét hoặc chỉ giải quyết một cách đơn giản, kết quả

là không thể tạo ra được kịch bản chuyển động thực tế Mô hình ngẫu nhiên thường được

sử dụng để so sánh với mô hình chuyển động ngẫu nhiên đầy đủ, ví dụ như các mô hình

mà không làm hạn chế sự di chuyển ngẫu nhiên của các nút trên một đồ thị, chẳng hạnnhư là mô hình bước ngẫu nhiên hoặc mô hình điểm tham chiếu ngẫu nhiên Tuy nhiên,các mô hình như vậy hầu như không xác nhận tính thực tế của mô hình ngẫu nhiên

Mô hình chuyển động trong khu vực thành phố làm hạn chế các nút di chuyển trênmột topo đường lưới, nơi mà tất cả các cạnh được coi là hai chiều, đơn làn Các xe lựachọn ngẫu nhiên một trong những điểm giao nhau làm điểm đến trên lưới và di chuyển vềphía nó với tốc độ không đổi, trên một trục tọa độ hai chiều gồm một trục ngang và mộttrục thẳng đứng Tốc độ phụ thuộc vào tuyến đường mà xe đang đi, tốc độ cao và tốc độthấp sẽ được tính tới cho phù hợp Tương tác xe với xe (car-to-car) được bỏ qua khi tất cảcác xe lân cận di chuyển cùng một tốc độ