Giao thức định tuyến theo mô hình lưu lượng xe cộ sử dụng trong mạng VANET

Đề tài: “Giao thức định tuyến theo mô hình lưu lượng xe cộ sử dụng trong mạng VANET” cung cấp một cái nhìn tổng quan về cấu trúc, hoạt động của mạng VANET, đi sâu vào giao thức định tuy

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU 1

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 2

1.1 MẠNG VANET 2

1.1.1 Sơ lược về mạng không dây 2

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET 3

1.1.3 Các thách thức đối với mạng VANET 6

1.1.4 Cấu trúc, chức năng và các thành phần trong mạng VANET 8

1.2 MỘT SỐ THÁCH THỨC TRONG MẠNG VANET 10

1.2.1 Những thách thức về định tuyến 10

1.2.2 Những thách thức về chuyển gói 11

1.3 NHỮNG TIÊU CHÍ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VANET 12

1.3.1 Phương diện truyền dẫn 12

1.3.2 Khả năng định tuyến 12

1.3.3 Chất lượng dịch vụ 13

1.3.4 Mức độ bảo mật 13

1.4 KẾT LUẬN 14

CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 15

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 15

2.2.1 Định tuyến trong mạng MANET 15

2.2.2 Định tuyến trong mạng VANET 16

2.2 ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN TÔ PÔ 17

2.2.1 Định tuyến chủ động 18

2.2.2 Giao thức định tuyến thụ động 19

2.2.3 Định tuyến lai ghép 21

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG VANET 21

2.3.1 Kiến trúc đường phố 22

2.3.2 Cơ chế điều khiển giao thông 22

2.3.3 Tốc độ trung bình 23

2.3.4 Mật độ nút 23

2.4 MÔ HÌNH HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA MẬT ĐỘ LƯU LƯỢNG GIAO THÔNG 24

2.5 KẾT LUẬN 30

CHƯƠNG III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ SỬ DỤNG TRONG MẠNG VANET 31

3.1 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ RBVT31 3.1.1 Động cơ thúc đẩy 31

3.3.2 Giao thức định tuyến RBVT 34

3.3.3 RBVT-R: Giao thức định tuyến RPVT thụ động 35

3.3.4 RBVT-P: Giao thức định tuyến RBVT chủ động 40

3.4 THAM KHẢO ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC RBVT 41

3.4.1 Phương pháp đánh giá 41

3.4.2 Tham số đánh giá 42

3.4.3 Thiếp lập mô phỏng 43

3.4.4 Kết quả mô phỏng 45

3.5 KẾT LUẬN 52

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hai mô hình mạng không dây mạng hạ tầng và mạng Ad-hoc 3

Hình 1.2: Mô hình mạng VANET 4

Hình 1.3: Cấu trúc hệ thống mạng VANET 8

Hình 1.4 : RSU mở rộng khoảng giao tiếp 10

Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin 10

Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến dựa trên tô pô 18

Hình 2.2: Kịch bản giao lộ có đèn giao thông 24

Hình 2.3: Mật độ lưu lượng được xác định là số xe trong khoảng 40m trên đoạn đường 3 làn tới một giao lộ (chu kỳ = 100 giây) 26

Hình 3.1: Các vấn đề với phương pháp định tuyến truyền thống trong mạng VANET 33 Hình 3.2: Giải pháp được sử dụng trong giao thức RBVT 34

Hình 3.3: Quá trình hình thành tuyến đường trong RBVT-R 37

Hình 3.4: Bản đồ thành phố được sử dụng trong kịch bản mô phỏng 43

Hình 3.5: Tỷ lệ chuyển gói thành công cho các giao thức RBVT-R, RBVT-P, AODV, OLSR, GPSR và GSR trong mạng có mật độ nút khác nhau 48

Hình 3.6: Độ trễ trung bình của các giao thức RBVT-R, RBVT-P, AODV, OLSR, GPSR và GSR trong mạng có 15 luồng và mật độ các nút khác nhau 50

Hình 3.7: Độ dài đường dẫn và tỷ lệ chuyển gói với số lượng luồng CBR thay đổi 52

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết

tắt

VANET Vehicle Ad hoc Network Mạng xe cộ tùy biến không

dây V2V Vehicle to Vehicle Communication Kết nối giữa xe với xe

V2I Vehicle to Road Intrastructure Kết nối giữa xe với cơ sở hạ

tầng M2M Machine-to-Machiner Communication Kết nối giữa các cơ sở hạ tầng MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng tùy biến di động

OLSR Optimized Link State Routing Giao thức định tuyến trạng thái

liên kết tối ưu

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

AODV Ad hoc on-demand Distance Vector Giao thức định tuyến vectơ

khoảng cách theo yêu cầu

WAVE Wireless Access in the Vehicular

Environment

Truy cập không dây trong môi trường xe cộ

Đồ án tốt nghiệp đại học Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với xu thế phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, điện tử viễn thông kết hợp với sự đa dạng phong phú về phương tiện kỹ thuật đã tạo nên những hình thái phát triển mới nhằm phục vụ đời sống con người Mạng di động tùy biến VANET hay còn gọi là mạng xe cộ bất định VANET cũng là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm đưa lại hiệu quả, những điểm nhấn mới trong bước phát triển của xe cộ

Trong mạng xe cộ bất định VANET, mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi là một nút mạng Các nút mạng này đều có khả năng di chuyển và trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và mạng VANET nói riêng Chính vì thế khi mật độ nút thay đổi sẽ dẫn đến những thay đổi ảnh hưởng trực tiếp lên giao thức định tuyến trong mạng VANET ví dụ như: Vấn đề băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị sẽ bị giảm đi,

Do đó trên thế giới nói chung cũng như tại Việt Nam nói riêng, vài năm trở lại đây đã có một số bài báo, công trình nghiên cứu về khả năng ứng dụng mạng VANET vào thực tế, cũng như các giao thức được sử dụng trong mạng này Ngoài các nghiên cứu để đảm bảo sự ổn định của mạng lưới, các ảnh hưởng của mật độ nút mạng lên giao thức định tuyến trong VANET cũng được đề cập đến rất nhiều Đề tài: “Giao thức định tuyến theo mô hình lưu lượng xe cộ sử dụng trong mạng VANET” cung cấp một

cái nhìn tổng quan về cấu trúc, hoạt động của mạng VANET, đi sâu vào giao thức định

tuyến dựa theo mô hình lưu lượng xe cộ (RBVT) trong VANET để giải quyết các vấn

đề về mật độ lưu lượng xe cộ

Đề tài gồm có 3 phần:

• CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET

• CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

• CHƯƠNG III: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN THEO MÔ HÌNH LƯU LƯỢNG XE CỘ SỬ DỤNG TRONG MẠNG VANET

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET 1.1 MẠNG VANET

1.1.1 Sơ lược về mạng không dây

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

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

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

Mạng không dây có tính linh hoạt cao, hỗ trợ các thiết bị chuyển động nên không bị ràng buộc cố định về địa lý như trong mạng hữu tuyến Ngoài ra ta còn có thể

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

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

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

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

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET

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

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

công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự

Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng Ad-hoc MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và sử dụng đường truyền vô tuyến Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

chỗ: các nút mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau

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

➢ Khả năng dự đoán chuyển động: VANET khác với các loại mạng tùy biến di

động Trong đó, các nút di chuyển một cách ngẫu nhiên trong giới hạn bởi cấu trúc, bố trí đường bộ và yêu cầu phải tuân theo vạch dấu hiệu và đèn giao thông

và để tương ứng với xe khác Dẫn đến hướng chuyển động nằm trong khả năng thực hiện được

➢ Khả năng tính toán cao: Bởi vì các nút trong VANET là xe, chúng được trang

bị đủ số lượng cảm biến và các tài nguyên tính toán như: bộ vi xử lý, dung lượng bộ nhớ lớn, công nghệ tiên tiến và ăng-ten hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Những tài nguyên này tăng khả năng tính toán của các nút, giúp đạt được truyền thông không dây đáng tin cậy và có được thông tin chính xác liên quan đến vị trí hiện tại, tốc độ và hướng của phương tiện

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

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

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

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

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

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

hoặc rất thấp trong trường hợp giao thông ngoại thành, nông thôn

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

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

➢ Thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng: Tốc độ di chuyển là cao,

đặc biệt là đường cao tốc dẫn đến những thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc liên kết mạng Hơn nữa, hành vi lái xe bị ảnh hưởng bởi các dữ liệu nhận được

từ mạng, gây ra những thay đổi trong cấu trúc liên kết mạng Thời gian sử dụng liên kết giữa các xe bị ảnh hưởng bởi đặc điểm của thông tin vô tuyến và sự chuyển động của phương tiện Thời gian sử dụng liên kết giữa các phương tiện

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

1.1.3 Các thách thức đối với mạng VANET

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

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

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

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

điều phối viên trung tâm điều khiển các thông tin liên lạc giữa các nút có trách nhiệm quản lý các hoạt động tranh chấp băng thông Vì vậy nó cần phải sử dụng băng thông sẵn có một cách hiệu quả Xác suất khá cao việc tắc nghẽn kênh có thể xảy ra do phạm

vi giới hạn của tần số băng thông (10 - 20 MHz) cho các ứng dụng VANET, đặc biệt

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

là trong môi trường mật độ cao Việc sử dụng hợp lý băng thông có tác động làm giảm thời gian trễ để quảng bá thông báo Nếu một chiếc xe cần gửi một tin nhắn mà không tìm thấy cơ hội để truyền, nó phải chờ đợi một thời gian để có thể truyền, gây ra ảnh hưởng là tăng độ trễ, đặc biệt ở khu vực đô thị với sự gia tăng của nhiều ứng dụng VANET

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

kết, dẫn đến việc thường xuyên phân mảnh của mạng lưới Thời gian tồn tại của các liên kết cần kéo dài càng lâu càng tốt Việc này có thể được thực hiện bằng cách tăng công suất truyền nhưng dẫn đến hao phí Theo đó, kết nối được coi là một vấn đề quan trọng trong VANET, mặc dù nhiều nghiên cứu trong MANET đã tập trung vào giải quyết vấn đề này Tuy nhiên, nó vẫn chiếm một phần lớn trong các nỗ lực tập trung hướng tới sự phát triển VANET

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

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

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

tư là một trong những thách thức chính trong VANET Việc nhận được thông tin đáng tin cậy từ một nguồn là quan trọng đối với một nút Tuy nhiên, thông tin đáng tin cậy

này có thể vi phạm các nhu cầu riêng tư của nguồn đó

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

liên kết nhanh chóng thay đổi, nên việc thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả mà

có thể cung cấp một gói tin trong một thời gian tối thiểu được coi là một thách thức quan trọng trong VANET Vì thế, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào thiết kế một giao thức định tuyến thích hợp cho môi trường có mật độ xe cao với khoảng cách giữa chúng là rất gần Thiết kế một giao thức định tuyến hiệu quả có tác động cải thiện nhiều yếu tố, yêu cầu đầu tiên là tăng cường độ tin cậy của hệ thống bằng cách tận dụng tỷ lệ chuyển gói, thứ hai là giảm mức độ can thiệp gây ra bởi các tòa nhà cao trong môi trường thành phố, yếu tố thứ ba là yêu cầu khả năng mở rộng tốt để tránh xung đột và yếu tố nữa là cung cấp gói tin trong thời gian ngắn nhất có thể, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp, yếu tố này được coi là một yếu tố rất quan trọng

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 được trang bị một thiết bị truyền thông (tầm ngắn) cho an toàn, có khả năng lựa chọn các thiết bị liên lạc (giao tiếp an toàn và không an toàn) Sự khác biệt giữa

AU và OBU là logic, chúng cũng có thể trong cùng một đơn vị vật lý

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

các RSU để hình thành mạng VANET OBU hình thành một mạng lưới cho phép giao tiếp giữa các Nút Nếu tồn tại kết nối không dây OBU trực tiếp giao tiếp, sử dụng đa bước nhảy để chuyển tiếp dữ liệu

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

các xe có thể truy cập cho các ứng dụng an toàn và không an toàn RSU truy cập Internet thường được thiết lập bởi các quản trị viên và các cơ quan khác Hai loại truy nhập cơ sở hạ tầng, RSU và HT, tương ứng với các loại ứng dụng

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

khác nhau Không phải RSU, cũng không phải HT truy cập Internet, mà OBU

có thể giao tiếp với mạng chuyển động (GSM, GPRS, UMTS, HSDPA, WiMax, 4G) được tích hợp ở OBU, đặc biệt là các ứng dụng an toàn

On – Board Unit (OBU)

OBU được đặt trên xe để đáp ứng giao tiếp V2V và V2I Nó cũng cung cấp dịch vụ truyền thông AU và chuyển tiếp dữ liệu thay cho OBU khác trong mạng Adhoc Một OBU được trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm ngắn dựa trên công nghệ 802.11p Thiết bị mạng được sử dụng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên quan trong mạng Adhoc Một OBU có thể trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền không an toàn, dựa trên công nghệ vô tuyến khác theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n Các chức năng OBU và thủ tục bao gồm truy cập vô tuyến không dây, định tuyến dựa vào vị trí địa lý, điều khiển tắc nghẽn mạng, chuyển dữ liệu an ninh quan trọng…

Road – Side Unit (RSU)

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

o Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng Adhoc có nghĩa là phân phối lại thông tin để các OBU cùng với RSU có thể chuyển tiếp, phân phối thông tin an toàn

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

o Cung cấp kết nối Internet cho OBU

Hình 1.4 : RSU mở rộng khoảng giao tiếp

Hình 1.5: RSU như một nguồn thông tin

1.2 MỘT SỐ THÁCH THỨC TRONG MẠNG VANET

1.2.1 Những thách thức về định tuyến

Những phân tích về các giao thức định tuyến truyền thống cho mạng MANET cho thấy rằng hiệu suất của chúng là kém khi sử dụng trong mạng VANET Vấn đề chính với các giao thức này trong môi trường mạng VANET là sự không ổn định của tuyến đường dẫn đến việc mất gói tin, tăng chi phí từ việc cập nhật tuyến đường, tỷ lệ chuyển gói thành công thấp và độ trễ truyền cao

Cách tiếp cận định tuyến được thay thế bởi các bổ sung đặc trưng nhất là giao thức định tuyến theo địa lý (ví dụ: giao thức GPSR sẽ thực hiện việc chuyển tiếp dữ liệu từ việc nhận biết các nút; giao thức sẽ không thành lập tuyến đường đi nhưng sẽ sử dụng

vị trí của đích và vị trí của các nút lân cận để chuyển tiếp dữ liệu Bất kỳ nút nào đảm bảo tiến độ về đích thì có thể được sử dụng cho chuyển tiếp Tuy nhiên, nó sẽ làm tăng nguy cơ mất gói tại các ngõ cụt vì không có sự xem xét đến kiến trúc đường phố Câu

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

hỏi đặt ra là liệu việc tích hợp các tính năng của VANET như: Tô pô, lưu lượng giao thông trong thời gian thực, sự hiện diện của các tòa nhà, v.v trong việc thiết kế giao thức định tuyến sẽ đạt được hiệu suất tốt hơn hay không? Và nếu có, cách tốt nhất để tích hợp chúng là gì?

1.2.2 Những thách thức về chuyển gói

Các đặc tính của mạng VANET cũng ảnh hưởng đến việc chuyển gói thành công Ba thách thức chuyển gói chính đã được xác định là: Việc lựa chọn bước nhảy tiếp theo, quy tắc xếp hàng đợi và khoảng thời gian truyền

Các giao thức định tuyến như DSR hoặc GPSR sẽ duy trì danh sách các nút láng giềng

để sử dụng xác định bước nhảy tiếp theo Nếu danh sách các nút không chính xác, bước nhảy tốt nhất có thể bị bỏ qua, hoặc thậm chí tệ hơn, một nút xe đã ra khỏi phạm

vi truyền tải có thể được chọn Việc duy trì danh sách cập nhật đòi hỏi thường xuyên phải quảng bá bản tin "Hello" Tuy nhiên, việc quảng bá quá nhiều sẽ dẫn đến một tổng chi phí cho việc truyền tải lớn Do đó, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để sử dụng các vị trí nút chính xác trong việc lựa chọn bước nhảy tiếp theo mà không phải mất quá nhiều chi phí Mạng xe cộ tùy biến không dây thường gặp tắc nghẽn nhanh hơn những mạng có dây được thiết kế tốt, dẫn đến việc chậm trễ từ đầu đến đầu cuối cao

và sự không ổn định ngay cả đối với lưu lượng truy cập vừa phải Điều này tác động đặc biệt đến độ chính xác về độ trễ về: Lưu lượng giao thông hoặc kiểm soát tai nạn Việc lựa chọn quy tắc xếp hàng đợi đã ảnh hưởng đến hiệu suất truyền dữ liệu trong mạng IP có dây, trong đó TCP được chứng minh là hoạt động tốt hơn khi tắc nghẽn vì khi đó các bộ định tuyến sử dụng thuật toán FIFO với Frontdrop thay vì FIFO với Taildrop hoặc RED Câu hỏi sau đó là liệu các mạng ad hoc có thể đạt được độ trễ đầu cuối tốt hơn và ổn định hơn với quy xếp hàng đợi khác nhau hay không?

Thách thức cuối cùng về chuyển gói được đề cập đến là việc khai thác thông tin về khoảng thời gian định tuyến tại các tuyến đường để cải thiện hiệu suất của giao thức RBVT Thông thường, một nút trong mạng xe cộ tùy biến không dây sẽ cố gắng thiết lập một tuyến đường để truyền đến đích khi mà đích đến không tới được Các lần khác, tuyến đường được thiết lập chỉ bị phá vỡ một vài giây sau đó do việc chuyển động của các nút Sau đó, các câu hỏi là: Thông tin giao thông xe cộ có thể được sử

dụng để ước tính chính xác độ dài của khoảng thời gian kết nối/ngắt kết nối giữa các nút trong VANET? Các ước tính này có thể được sử dụng để tối ưu hóa việc lựa chọn tuyến và chuyển dữ liệu?

1.3 NHỮNG TIÊU CHÍ THIẾT KẾ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG VANET

VANET là một loại mạng Ad-hoc rất riêng biệt với rất nhiều các thách thức nên các yêu cầu về thiết kế các ứng dụng VANET bao hàm cả hệ thống truyền thông là vấn

đề rất phức tạp Khi phân tích những yêu cầu ứng dụng của mạng VANET, ta thấy rằng tùy thuộc vào loại đường, mật độ xe cộ, tốc độ của các phương tiện nên các yêu cầu truyền thông sẽ khác nhau Lưu lượng truyền thông trong thành phố thì dày hơn so với trên quốc lộ và mật độ xe cộ sẽ khác nhau khi so với quốc lộ, ở thành phố hay các con đường vùng nông thôn

Vì vậy ta xem xét đặc điểm của VANET theo bốn khía cạnh kỹ thuật chính: Sự truyền dẫn, khả năng định tuyến, chất lượng dịch vụ và mức độ an ninh để sử dụng giao thức định tuyến phù hợp

1.3.1 Phương diện truyền dẫn

Tiêu chuẩn truyền thông cho truyền thông giữa xe với xe và giữa xe với hạ tầng

cơ sở là DSRC (Dedicated Short Range Communication: Truyền thông phạm vi ngắn chuyên dụng), hỗ trợ Wireless Access in the Vehicular Environment (WAVE) – Truy cập không dây trong môi trường xe cộ WAVE cho phép trao đổi dữ liệu giữa các thiết

bị của xe trong môi trường truyền thay đổi liên tục, các nút có thể đạt tốc độ 200km/h

và khoảng cách giữa chúng từ 5 đến 500m

Dải dự trữ của phổ vô tuyến điện được chia thành 7 kênh rộng 10MHz Kênh Ch178

đã được dành cho sự quản lý giao thức Kênh Ch172 và Ch184 được dành cho các ứng dụng tránh sự cố và truyền thông tin cậy công cộng Phần còn lại (kênh Ch174, Ch176, Ch180 và Ch182) được sử dụng cho cả các thiết kế an toàn và không an toàn

1.3.2 Khả năng định tuyến

VANET thừa hưởng các đặc tính giống như MANET Do di động cao, tô pô thay đổi thường xuyên và thời gian tồn tại ngắn là những đặc điểm của mạng gây trở

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về mạng Vanet

ngại cho các quyết định định tuyến Một số yếu tố khác như hệ thống đường xá và môi trường khác nhau như thành phố và đường cao tốc làm cho việc định tuyến trở nên khó khăn hơn trong VANET Trái ngược với định tuyến dựa trên tô pô của MANET, VANET sử dụng thông tin vị trí của các Nút tham gia trong mạng để đưa ra các quyết định định tuyến bởi vì mạng thường phân vùng, các giao thức định tuyến chủ động không kịp đáp ứng do sự thay đổi nhanh của tô pô mạng và thậm chí còn không kịp hội tụ trong quá trình trao đổi thông tin trạng thái

Việc định tuyến còn phải xem xét tính di động của các nút khi xe dừng (0 km/h) đến khi chạy hơn 140 km/h trên quốc lộ Do đó, định tuyến không thể dựa trên địa chỉ nhóm như trong các mạng Ad-hoc thông thường mà phải dựa vào vị trí các nút để xác định việc truyền gói tin Công nghệ geocast, broadcast và multicast có thể được áp dụng cho mạng V2V Đề xuất dùng geocast trong các giao thức giới hạn vùng đích liên quan tới độ an toàn; dùng broadcast trong giao thức với việc cập nhật liên tục thông tin giữa các nút hàng xóm và unicast cho các giao thức còn lại

1.3.3 Chất lượng dịch vụ

Trong giao thông đường bộ, khi một sự việc khẩn cấp xảy ra, số phương tiện tiếp cận tai nạn có thể tăng đột ngột Nếu các thông báo về tai nạn này được quảng bá tới mọi xe thì sẽ dẫn đến tắc nghẽn kênh Đề xuất dưới đây cung cấp giới hạn thời gian

để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các nhóm các giao thức khác nhau Nhóm đầu tiên không có bất kỳ giới hạn về thời gian đáp ứng vì chúng không cần các thông báo hồi đáp Độ trễ truyền tối đa được đề xuất là 250 ms với độ rung pha lớn nhất là 100 và một băng thông 52 Mbps Đề xuất với nhóm giao thức thứ hai là thời gian đáp ứng 2-5 giây, 400 ms cho trễ truyền và băng thông 24-32 Kbps, còn độ rung pha của chúng thì không xét Cuối cùng, các nhóm còn lại thì thời gian đáp ứng tối đa là 1s nhưng độ trễ

có thể lên đến 200 ms và chỉ cần băng thông 1 Kbps vì các thông báo ngắn và các ký

tự đơn giản

1.3.4 Mức độ bảo mật

Trong trường hợp trạng thái nguy hiểm của mạng VANET được cảnh báo lên tất cả các xe thì có thể gây ra sự phiền toái cho những người sử dụng khác Vì thế các yêu cầu về bảo mật của VANET như: Kiểm soát truy cập, việc nhận thông báo, sự bảo

mật thông điệp, sự riêng tư và ẩn danh và việc xác định chi phí,… được đưa ra Có các nhóm giao thức chỉ yêu cầu kiểm soát truy nhập và một vài cấp độ bảo mật đối với thông điệp luồng lên với khóa đối xứng Giờ cần mở rộng thêm yêu cầu về xác thực thông điệp và tính toàn vẹn cho nhóm này Thực tế hai yêu cầu trên cũng được đề xuất cho các nhóm còn lại Có các nhóm yêu cầu cao về bảo mật thông điệp và việc xác định chi phí

1.4 KẾT LUẬN

Chương đã đưa ra tổng quan về mạng VANET với các đặc điểm và các thách với mạng VANET đặc biệt là các thách thức về: Định tuyến và chuyển gói Qua đó sẽ đưa ra các tiêu chí để thiết kế ứng dụng trong mạng VANET phù hợp với giao thức định tuyến trong mạng VANET Các tiêu chí này cần được xem xét và cân nhắc kỹ khi tiến hành phân tích các kết quả mô phỏng hiệu suất mạng Đó là phương tiện truyền dẫn ảnh hưởng đến khả năng định tuyến, chất lượng dịch vụ cũng như mức độ bảo mật Điều này là rất quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng giao thức định tuyến bởi

vì mỗi giao thức khác nhau thì có hiệu suất mạnh yếu khác nhau trong các tô pô khác nhau Ví dụ, với những vùng mạng yêu cầu bảo mật không cao hay chất lượng không cần quá tốt thì sẽ cho ta kết quả rất khác so với khi thực hiện tại các vùng mạng yêu cầu bảo mật tốt, một chất lượng dịch vụ thật tốt thì phải có những giao thức đảm bảo

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

CHƯƠNG II: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Phần này trình bày các kiến thức liên quan về định tuyến trong mạng MANET, định tuyến trong mạng VANET, các phương pháp nhằm giảm độ trễ trong các mạng

Ad hoc và phân bố thời lượng đường đi trong mạng Ad hoc

2.2.1 Định tuyến trong mạng MANET

Định tuyến là một chủ đề nghiên cứu chính trong mạng MANET DSDV và DSR là các giao thức tập trung vào tô pô của mạng để lựa chọn con đường truyền thông đầu cuối DSDV là một giao thức chủ động có thể hoạt động tốt trong tô pô có kích thước nhỏ nhưng chưa phù hợp với các tô pô lớn và tính di động cao dothông tin tuyến đường được cập nhật thường xuyên RBVT-P cũng là giao thức chủ động, nhưng khác với DSDV nó không bị ràng buộc bởi các đơn lẻ RBVT-P xây dựng một cái nhìn theo thời gian thực về lưu lượng xe cộ trên đường DSR là một giao thức định tuyến dựa trên nguồn để tạo ra các tuyến đường theo yêu cầu RBVT-R cũng là giao thức tạo ra các tuyến đường theo yêu cầu, nhưng hai giao thức khác nhau trong việc biểu diễn các tuyến đường Trong DSR, tuyến đường là các chuỗi các nút, do đó có thể dẫn đến việc phá vỡ lộ trình thường xuyên trong VANET Trong khi đó RBVT-R, tuyến đường là chuỗi các nút giao lộ nơi xác định các đoạn đường được nối vào Để cải thiện các giao thức sử dụng nút trung tâm truyền thống mà không xem xét tô pô, một số giao thức cho VANET đã khai thác thực tế là chuyển động của xe bị hạn chế trên đường để dự đoán chu kỳ hoạt động của các tuyến đường và sửa chữa các tuyến đường trước khi chúng bị phá vỡ hoặc giảm số lượng các tuyến đường bị phá vỡ bằng cách lựa chọn tuyến đường có các nút hàng xóm di chuyển theo cùng một hướng và với một tốc độ tương đối nhỏ Định tuyến RBVT-R khác với các giao thức này, các tuyến đường định tuyến được dựa trên các thông tin trên đường với các thành phần chính của chúng là các nút giao thông nơi mà đường định tuyến đi từ nguồn đến đích

2.2.2 Định tuyến trong mạng VANET

Các khái niệm chính về định tuyến dựa trên nút trong mạng cảm biến đã được điều chỉnh để phù hợp cho môi trường mạng xe cộ Các giao thức định tuyến GSR và SAR tích hợp các tô pô trong định tuyến sử dụng những khái niệm này Trong các giao thức này, một nguồn tính đường đi ngắn nhất từ vị trí hiện tại đến đích Tương tự như giao thức RBVT, chúng tập hợp danh sách giao lộ xác định đường dẫn từ nguồn đến đích trong phần đầu của mỗi gói tin được gửi bởi nguồn Tuy nhiên, không xem xét lưu lượng xe cộ theo thời gian thực do đó các danh sách đó có thể bao gồm những con đường trống hoặc những con đường có phân vùng mạng riêng Để giảm bớt vấn đề này, giao thức A-STAR dựa trên chỉnh sửa của giao thức GSR bằng cách ưu tiên cho đường phố được phục vụ bởi xe buýt chuyển tuyến mỗi lần một giao lộ mới sẽ được thêm vào tuyến đường nguồn Giao thức CAR mới được đưa ra cho thấy các đường dẫn được kết nối giữa các cặp nguồn và đích và xem xét lưu lượng truy cập theo thời gian thực CAR sử dụng mục "guards" để thêm vào bản tin "hello" để phản ánh chuyển động của các nút nguồn và đích trên các đường dẫn Giao thức Gytar thì không lưu trữ các tuyến đường giao lộ đầy đủ trong các gói dữ liệu Thay vào đó lựa chọn giao lộ tiếp theo được thực hiện tự động và mỗi lần chọn đoạn đường tiếp theo sẽ phải làm cân bằng tốt nhất về mật độ đường và chiều dài đường

Các giao thức MDDV và VADD sử dụng chuyển tiếp nhất thời để chuyển dữ liệu từ nguồn đến đích Giao thức VADD sử dụng lịch sử lưu lượng dữ liệu truy cập để xác định tuyến đường tốt nhất đến đích Giao thức MDDV thì xem xét điều kiện giao thông đường bộ cũng như số làn xe trên mỗi đoạn đường để chọn tuyến đường tốt nhất trên tô pô đường để chuyển tiếp dữ liệu Trong cả hai giao thức, khi không có xe được tìm thấy dọc theo tuyến đường chuyển tiếp, một cách tiếp cận “Carryand-forward” được sử dụng Nút phương tiện không thể truyền tải được gói dữ liệu sẽ phải lưu trữ

nó cho đến khi nó tìm thấy một nút thay thế thích hợp hơn Các giao thức này phù hợp với các ứng dụng chậm trễ, tức là các ứng dụng mà người dùng có thể chịu được một mức độ chậm trễ nhất định (lên đến một phút trở lên), miễn là dữ liệu cuối cùng đã đến Các giao thức RBVT thì khác, nó sẽ cung cấp hỗ trợ cho các ứng dụng không bị chậm trễ Các giao thức RBVT yêu cầu phải có một đường dẫn kết thúc tồn tại để cho

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

dữ liệu truyền đến đích Với việc lưu lượng xe cộ rất thưa thớt ở giai đoạn đầu của việc triển khai công nghệ không dây trong xe (trong khi nhiều xe không có giao diện vô tuyến), các giải pháp chuyển tiếp nhất thời như vậy sẽ cần thiết cho việc truyền thông giữa xe với xe

Lưu ý rằng các phép đo thực tế với các máy thu GPS thương mại cho thấy có sai sót trong việc báo cáo vị trí GPS trong môi trường đô thị Bởi vì các giao thức RBVT theo dõi đường dẫn của các đoạn đường nên chúng có khả năng chống lại việc sai vị trí của các nút với khoảng cách một vài mét Sự tích hợp của hệ thống định

hướng quán tính với các máy thu GPS sẽ cải thiện việc phát hiện và xử lý lỗi vị trí GPS

2.2 ĐỊNH TUYẾN DỰA TRÊN TÔ PÔ

Một số giao thức định tuyến VANET đã sử dụng cách tiếp cận định tuyến dựa trên tô pô Định tuyến dựa trên tôpô các giao thức sử dụng thông tin liên kết trong mạng để gửi các gói dữ liệu từ nguồn tới đích Cách tiếp cận định tuyến dựa trên tô pô

có thể được phân loại thành ba nhóm:

➢ Định tuyến chủ động

➢ Định tuyến thụ động

➢ Định tuyến lai ghép

2.2.1 Định tuyến chủ động

Các giao thức định tuyến chủ động chủ yếu dựa trên các thuật toán tính đường

đi ngắn nhất Các giao thức sẽ giữ thông tin của tất cả các nút kết nối dưới dạng các bảng vì các giao thức này được dựa trên bảng Hơn nữa, các bảng này cũng được chia

sẻ với hàng xóm của nó Bất cứ khi nào có sự thay đổi xảy ra trong tô pô mạng, mỗi nút đều cập nhật bảng định tuyến của nó Chiến lược được thực hiện trong các thuật toán chủ động là định tuyến theo trạng thái liên kết (ví dụ: OLSR) và định tuyến vector khoảng cách (ví dụ: DSDV) Các cách thức hoạt động của các giao thức định tuyến chủ động như sau:

Destination Sequence Distance Vector Routing (DSDV) sử dụng thuật toán định tuyến đường đi ngắn nhất của Distance Vector, nó cung cấp đường dẫn đơn miễn phí đến đích DSDV gửi hai loại gói tin "full dump" và "incremental" Trong các gói tin “full dump”, tất cả các thông tin định tuyến được gửi khi có sự gia tăng của xe cộ thì chỉ bảng cập nhật được gửi Nó làm giảm băng thông sử dụng bằng cách chỉ gửi

Hình 2.1: Phân loại giao thức định tuyến dựa trên tô pô

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

các bảng cập nhật thay vì thông tin định tuyến đầy đủ Việc gia tăng của xe cộ vẫn làm tăng chi phí trong mạng, bởi vì các bảng cập nhật này phải thường xuyên gửi đi sẽ làm cho nó không phù hợp cho mạng có quy mô lớn Tối ưu hóa định tuyến trạng thái liên kết (OLSR) duy trì thông tin định tuyến bằng cách gửi thông tin trạng thái liên kết Sau mỗi thay đổi trong cấu trúc liên kết, mỗi nút gửi các bảng cập nhật tới các nút lựa chọn Bằng cách đó, mỗi nút trong mạng chỉ nhận được cập nhật một lần Các gói không được chọn thì không thể truyền lại bản cập nhật; nó chỉ có thể đọc thông tin cập nhật

Source-Tree Adaptive Routing (STAR) là một giao thức trạng thái liên kết khác Trong STAR, các tuyến đường ưa thích đến được mọi đích được lưu trong mỗi nút Nó làm giảm chi phí trên mạng bằng cách loại bỏ các bản cập nhật định kỳ Không cần gửi bản cập nhật trừ khi bất kỳ sự kiện nào xảy ra Giao thức này có thể phù hợp với các mạng quy mô lớn nhưng cần nhiều bộ nhớ và kỹ thuật vì nó phải duy trì các cây lớn cho toàn bộ mạng

Các giao thức định tuyến chủ động có thể không phù hợp với các nút có tính di động cao bởi vì định tuyến theo vector khoảng cách mất nhiều băng thông để chia sẻ thông tin định tuyến với hàng xóm Hơn nữa, kích thước của bảng cũng khá lớn trong các mạng có quy mô lớn và trong trường hợp định tuyến theo trạng thái liên kết cần rất nhiều bộ nhớ và kỹ thuật để đáp ứng được yêu cầu Như trong VANET, các nút (xe) có tính di động cao và di chuyển với tốc độ cao thì định tuyến chủ động là không thích hợp Các giao thức định tuyến chủ động có thể thất bại trong mạng VANET do tiêu thụ nhiều hơn băng thông và thông tin bảng rất lớn

2.2.2 Giao thức định tuyến thụ động

“Giao thức định tuyến theo yêu cầu” "hoặc “Giao thức định tuyến thụ động” được thiết kế để khắc phục những chi phí được tạo ra bởi các giao thức định tuyến chủ động Điều này được khắc phục bằng cách duy trì chỉ những tuyến đường đang hoạt động Các tuyến đường được thiết lập và duy trì đối với các nút đang được sử dụng để gửi các gói dữ liệu từ nguồn đến đích Khám phá tuyến đường trong định tuyến thụ động có thể được thực hiện bằng cách gửi RREQ (Route Request) từ một nút khi nó

yêu cầu thành lập tuyến đường để gửi dữ liệu đến một đích đến cụ thể Sau khi gửi RREQ, nút đợi chờ đợi cho RREP (Route Reply) và nếu nó không nhận được RREP trong thời gian của bộ timer, nút nguồn sẽ hiểu rằng một trong hai trường hợp sau: Tuyến đường không tồn tại hoặc tuyến đường đã hết hạn Khi RREQ chuyển đến đích

cụ thể và nút nguồn nhận được RREP, tiếp đến sẽ quảng bá thông tin sẽ được chuyển tiếp đến nút nguồn để đảm bảo rằng tuyến đường đã có sẵn để truyền thông Định tuyến thụ động có thể được phân loại như là định tuyến nguồn hoặc định tuyến hop-by-hop Trong định tuyến nguồn thông tin tuyến đường hoàn chỉnh từ nguồn đến đích được bao gồm trong các gói dữ liệu Khi các gói dữ liệu này được chuyển tiếp tới các nút trung gian khác trong mạng, mỗi nút sẽ lấy thông tin tuyến đường từ gói dữ liệu và lưu trữ nó trong phần đầu của gói dữ liệu chuyển đi của mình Kết quả là, mỗi nút trung gian không cần phải cập nhật tất cả các thông tin tuyến đường để gửi gói tin đến đích Hạn chế chính của định tuyến nguồn là nó có thể không phù hợp với các mạng quy mô lớn, số lượng các nút cao và tính di động của các nút cao như VANET Lý do đầu tiên là do số lượng nút lớn hơn trong quy mô mạng Ad hoc do đó có thể dẫn đến tuyến đường bị hỏng cao Lý do thứ hai là số lượng các nút trung gian ngày càng tăng,

do đó tải mạng chứa thông tin tuyến đường trong phần đầu của mỗi nút cũng có thể tăng lên

Định tuyến theo kiểu Hop-by-hop hoạt động tốt hơn so với định tuyến theo nguồn như mỗi gói dữ liệu trong nó có chứa hop tiếp theo và địa chỉ đích Do đó các nút trung gian từ nguồn đến đích sẽ chứa thông tin bảng định tuyến để gửi dữ liệu đến một đích đến cụ thể Điều này khá hữu ích cho việc chấp nhận thay đổi đột ngột trong cấu trúc liên kết mạng Vì vậy khi tô pô thay đổi các nút nhận được thông tin bảng định tuyến tươi và lựa chọn các tuyến mới phù hợp Kết quả là các tuyến đường đã chọn này bây giờ được sử dụng để gửi gói dữ liệu đến đích Các giao thức định tuyến này liên tục cập nhật thông tin định tuyến của nó và cập nhật thông tin về các nút lân cận Do đó định tuyến thụ động này có thể được áp dụng trong các mạng Ad hoc có tính di động cao như VANET Nhiều giao thức định tuyến thụ động đã được đề xuất cho đến nay như: AODV và DSR Hơn nữa, chúng tôi kiểm tra tính phù hợp của các giao thức này cho mạng VANET

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

2.2.3 Định tuyến lai ghép

Định tuyến lai ghép sẽ kết hợp các đặc tính của cả giao thức định tuyến chủ động và thụ động để làm cho việc định tuyến có thể mở rộng và hiệu quả hơn Hầu hết các giao thức định tuyến lai ghép là dựa trên vùng; nó có nghĩa là các nút được chia thành các khu vực khác nhau để làm cho việc khám phá và bảo trì tuyến đường trở nên đáng tin cậy hơn cho MANET Haas và Pearlman đề xuất một giao thức định tuyến lai ghép và đặt tên nó là ZRP (Zone routing protocol) ZRP giới hạn phạm vi của các phương pháp định tuyến chủ động đến các nút lân cận cục bộ, tuy nhiên ZRP sử dụng định tuyến thụ động để tìm kiếm các nút mong muốn bằng cách truy vấn các nút mạng chọn lọc thay thế cho việc gửi truy vấn đến tất cả các nút trong mạng ZRP sử dụng định tuyến "Intrazone" và "Interzone" để cung cấp phát hiện tuyến đường linh hoạt và bảo trì tuyến đường trong nhiều môi trường đặc biệt Định tuyến “Interzone” thực hiện phát hiện các tuyến đường thông qua giao thức định tuyến thụ động, trong khi đó định tuyến “Intrazone” dựa trên định tuyến chủ động để duy trì thông tin tuyến đường được cập nhật tại phạm vi khu vực định tuyến của riêng mình Đặc điểm chung của ZRP là

nó làm giảm tải do kết nối mạng gây ra bằng cách chủ động định tuyến và nó cũng xử

lý độ trễ của mạng được gây ra bởi các giao thức định tuyến chủ động và thực hiện khám phá tuyến đường hiệu quả hơn

Hạn chế của ZRP là nó không được thiết kế cho các môi trường mà các hành vi của nút là luôn thay đổi nhanh chóng trong tô pô như VANET Nói cách khác, chúng

ta có thể nói giao thức định tuyến này được thiết kế đặc biệt cho các mạng mà các nút

di động không phải là rất cao và kích thước mạng là phụ thuộc vào số lượng hạn chế của các nút

2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU NĂNG GIAO THỨC ĐỊNH

TUYẾN CỦA MẠNG VANET

Mạng VANET có một số đặc điểm nhất định, đòi hỏi những yêu cầu mới về giao thức định tuyến Trong đó đặc điểm quan trọng nhất là tô pô động do sự di động của các nút Sự thay đổi đột ngột số lượng các nút cũng như các nút sẽ thay đổi vị trí khá thường xuyên, có nghĩa là chúng ta cần một giao thức định tuyến nhanh chóng

thích nghi với các thay đổi tô pô Nút trong mạng VANET thường hạn chế so với mạng cố định về các tài nguyên như dung lượng CPU, dung lượng lưu trữ và băng thông, do đó giao thức định tuyến nên phải giảm thiểu được lưu lượng điều khiển, bản tin cập nhật Thay vào đó, giao thức định tuyến nên chủ động chỉ tính toán các tuyến đường khi nhận được một yêu cầu cụ thể Để có hiệu quả, các giao thức định tuyến phải có:

• Giữ bảng định tuyến cập nhật hợp lý và nhỏ nhất có thể

• Chọn tuyến đường tốt nhất cho đích đến (ví dụ: các điều kiện về số bước nhảy,

độ tin cậy, thông lượng và chi phí)

• Thống nhất khi trao đổi một số lượng bản tin sao cho nhỏ nhất có thể

Chính vì thế hiệu năng của một giao thức tối ưu nhất cho tô pô mạng phụ thuộc các yếu tố sau:

2.3.1 Kiến trúc đường phố

Việc bố trí các tuyến đường có tác dụng giới hạn sự chuyển động của các nút mạng, 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 trí các tuyến đường có thể dẫn tới việc các xe đi trên các tuyến đường song song cách xa nhau 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

2.3.2 Cơ chế điều khiển giao thông

Cơ chế điều khiển giao thông thường được sử dụng tại các nơi đường giao nhau

là dừng lại hoặc đi tiếp theo chỉ dẫn của tín hiệu đèn Khi có đèn đỏ thì các xe phải dừng lại trong một khoảng thời gian ngắn khoảng tầm vài chục giây cho đến khi đèn chuyển xanh thì mới được đi tiếp Điều này dẫn đến việc các xe xếp thành hàng dài nối đuôi nhau, vì vậy làm giảm tốc độ lưu thông của chúng Hơn thế nữa, còn gián tiếp làm giảm tính chuyển 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

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

có thể gây ra ảnh hưởng xấu đến hiệu suất truyền tin của mạng với việc gia tăng sự chiếm dụng các kênh sóng và tăng phân vùng mạng

2.3.3 Tốc độ trung bình

Tốc độ của xe sẽ quyết định đến sự thay đổi vị trí của nó nhiều hay ít, qua đó cũng quyết định tốc độ thay đổi tô pô mạng Giới hạn tốc độ tối đa cho phép trên mỗi con đường sẽ xác định tốc độ di chuyển trung bình của xe và mức độ thường xuyên cập nhật các tuyến đường hiện hành đang sửa chữa hoặc các tuyến đường mới được đưa vào hoạt động Ngoài ra, việc các xe tăng hoặc giảm tốc độ và cấu trúc của đường

đi cũng ảnh hưởng tới tốc độ trung bình của xe, chẳng hạn như nếu một tuyến đường

có ít các nút giao 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

2.3.4 Mật độ nút

Ước tính chính xác mật độ nút trong mạng VANET, là một nhiệm vụ đầy thách thức và quan trọng Có các phương pháp tiếp cận khác nhau, nhưng chưa tận dụng các tham số lớp vật lý theo cách phân bố, nó mô tả một vùng cho phép các nút riêng lẻ ước lượng mật độ nút của mạng lưới xung quanh của chúng độc lập với bản tin báo hiệu và thông tin cơ sở hạ tầng khác Chính vì thế mật độ nút là một trong những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của các giao thức định tuyến trong mạng VANET trong các trường hợp sau:

✓ Nút thay đổi chế độ thức và ngủ: Để tiết kiệm điện của pin và kéo dài tuổi thọ các nút, các nhà sản xuất cung cấp các nút có khả năng đi vào chế độ ngủ khi rỗi hay theo chu kỳ Đây là một thách thức cho các giao thức định tuyến vì các liên kết giữa các nút hay bị thay đổi

✓ Nút ngừng hoạt động: Nút có thể ngừng hoạt động do nhiều nguyên nhân như bị tai nạn, nước, bị va đập, bị đốt cháy hay phổ biến nhất là hết điện Các nút ngừng hoạt động sẽ tạo ra những vùng trống, tại đó không một lưu lượng nào có thể chuyển qua được

✓ Nút được bổ sung: Các nút mới có thể được bổ sung để lấp các vùng trống

do các nút đã ngừng hoạt động để lại hoặc để mở rộng khu vực triển khai

✓ Nút ít di chuyển: Đây là một thuận lợi cho việc thiết kế các giao thức cho VANET

2.4 MÔ HÌNH HÓA ẢNH HƯỞNG CỦA MẬT ĐỘ LƯU LƯỢNG GIAO

THÔNG

❖ Mô hình hóa mật độ lưu lượng giao thông

Mô hình mật độ giao thông được thiết kế để tương ứng với các đặc điểm của hệ thống giao thông đô thị Cụ thể, nó gồm các tuyến đường giao thông như trong hình 2.2 Mô hình mật độ giao thông biểu diễn mật độ giao thông là một hàm số của vị trí 𝑥 (dọc theo đoạn đường 𝐿𝐸) với t là khoảng thời gian đèn giao thông Để đơn giản, ta giả

sử lưu lượng là đơn hướng với luồng 𝑞 𝑥𝑒

𝑔𝑖ờ/𝑙à𝑛 tiến tới ngã tư từ làn 𝑙 của đoạn đường

𝐿𝐸 Tốc độ cực đại của đoạn đường được giới hạn với 𝑉 (𝑚/𝑠) trong quy định đối với giao thông đô thị Các đường giao nhau hoạt động với thời gian cố định gồm các pha

đỏ và xanh được biểu diễn tương ứng với 𝑡𝑟𝑒𝑑, 𝑡𝑔𝑟 Do đó, khoảng thời gian đèn giao thông được biểu diễn là 𝑡𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝑡𝑟𝑒𝑑 + 𝑡𝑔𝑟 Giả sử rằng giao lộ hoạt động trong điều kiện gần bão hòa, ví dụ hàng đợi hình thành trong suốt pha màu đỏ, xả hàng trong pha xanh của cùng chu kỳ đèn giao thông Mật độ giao thông tương ứng với kịch bản dưới bão hòa và kịch bản vượt bão hòa có thể được so với kịch bản gần bão hòa

Hình 2.2: Kịch bản giao lộ có đèn giao thông

Đồ án tốt nghiệp đại học Chương II: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng

giao thức đinh tuyến trong mạng Vanet

Mô hình hóa mật độ giao thông tổng quát có khả năng nắm bắt được các đặc điểm của lưu lượng như mật độ lưu lượng, thông lượng của một đoạn đường hoặc một

hệ thống lưu lượng lớn được hình thành bởi mạng lưới kết nối các đoạn đường Mặt khác, mô hình lưu lượng cục bộ chỉ có khả năng ước tính hành vi lưu lượng của một

xe hoặc một vị trí dọc đoạn đường ngay lập tức Trong mô hình lưu lượng cục bộ, độ nhạy và tốc độ tức thời của xe được sử dụng để ước lượng mật độ cục bộ xung quanh

nó Chúng tôi cho rằng mô hình hàng đợi hiện tại hoặc mô hình lưu lượng cục bộ không thể nắm bắt được hành vi chung của giao thông trên toàn bộ đoạn đường Vì vậy, mô hình mật độ lưu lượng tổng quát là cần thiết để giải thích hành vi giao thông ở bất kỳ vị trí nào trong suốt đoạn đường, và do đó cho phép phân tích sự chồng lấn tín hiệu vô tuyến dọc theo đoạn đường Mô hình lưu lượng tổng quát được thu từ các kết quả trong hơn 100 kịch bản mô phỏng chạy đơn làn và đa làn Các kết quả được tóm tắt trong những điểm chính sau:

a) Trong pha đỏ, ba khu vực có mật độ lưu lượng khác nhau cùng tồn tại trên một đoạn đường: (1) một lưu lượng bị tắc nghẽn gây ra bởi các xe trong hàng đợi, (2) một mật độ lưu lượng tăng gây ra bởi các xe giảm tốc độ khi chúng tiếp cận hàng đợi phía trước, (3) một mật độ lưu lượng gần như không đổi bởi các xe di chuyển tự do trong luồng lưu lượng Các khu vực với ba mật độ khác nhau được kí hiệu bởi 𝑙𝑗, 𝑙𝑑, 𝑙𝑓 tương ứng trong hình 2.3