Đề tài “Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET”

Chia sẻ: Nguyễn Mạnh Bằng Bằng | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

557
lượt xem 124
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới. Những chiếc điện thoại đi động tiên tiến ra đời tương thích với các thế hệ di động tiên tiến. Mô hình mạng MANET đã được triển khai và ứng dụng phổ biến tại thị trường Việt Nam từ nhiều năm nay. Nó giúp cho các thiết bị di động có thể kết nối với nhau mọi lúc mọi nơi dựa trên công nghệ truy cập của mạng Ad Hoc mà không cần thiết phải triển khai cơ sở...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài “Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET”

Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nước trên thế giới. Những chiếc điện thoại đi động tiên tiến ra đời tương thích v ới các thế hệ di động tiên tiến. Mô hình mạng MANET đã được triển khai và ứng dụng phổ biến tại thị trường Việt Nam từ nhiều năm nay. Nó giúp cho các thiết bị di động có thể kết nối với nhau mọi lúc mọi nơi dựa trên công nghệ truy cập của mạng Ad Hoc mà không cần thiết phải triển khai cơ sở hạ tầng phức tạp. Tuy nhiên, không dừng ở đó, thế giới đang tiến tới một công nghệ mới hơn, đó chính là mạng di đ ộng tùy biến VANET. Với mạng di động tùy biến VANET, nhiều nước đã đ ưa vào h ệ thống giao thông thông minh. Mỗi chiếc xe chuyển động trên đường được coi như một node mạng, chúng trao đổi thông tin với nhau theo các giao thức định tuyến của mạng Ad Hoc nói chung và của mạng VANET nói riêng. Việc triển khai mạng VANET trong hệ thống giao thông là rất thực tế và hữu dụng. Nhờ công ngh ệ này, tình trạng tắc đường, tai nạn giao thông sẽ được kiểm soát. Việc thu phí đ ường cũng trở nên nhanh gọn và dễ kiểm soát hơn mà không cần tốn nhân lực. Với đồ án 9, em chọn đề tài “Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET” để có cái nhìn tổng quát về mạng VANET và các giao th ức đ ịnh tuyến trong mạng. Em cũng có sự so sánh giữa các giao th ức trong mạng đ ể có th ể chọn giao thức thích hợp cho từng kịch bản mô hình mạng. Đồ án 9 gồm 3 chương • Chương I: Tổng quan mạng về mạng không dây • Chương II: Mạng VANET • Chương III: Giao thức định tuyến trong mạng VANET CHƯƠNG I SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 1
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Tổng quan về mạng không dây 1.1. Các mô hình mạng không dây 1.1.1. Giới thiệu về mạng không dây Trong hơn 25 năm qua, sự phát triển của Internet cũng như các công nghệ không dây đã có ảnh hưởng rất lớn đến cuộc sống của con người trên toàn thế giới. Hai nhân tố này đã làm thay đổi cách con người liên lạc với nhau, cách họ làm việc, cách họ hưởng thụ cuộc sống thông qua các loại hình giải trí mới. Với sự ra đời của mạng thông tin di động tế bào, chúng ta đã chứng ki ến sự tăng vọt về nhu cầu dịch vụ không dây và di động. Chúng ta đã và đang chứng ki ến s ự phát triển đến chóng mặt của mạng không dây. Năm 2002 đánh dấu thời đi ểm l ịch sử của mạng viễn thông với số thuê bao di động vượt qua số thuê bao cố định. Theo ITU, tháng 9 năm 2005, số thuê bao di động trên thế giới đã vượt con s ố 2 t ỷ. Theo thống kê của GSA (Global mobile Suppliers Association) gần đây, con số này đã vượt 3 tỷ. Tuy nhiên, lịch sử của mạng tế bào còn rất ngắn ngủi. Nó mới trải qua 3 th ế hệ và ở nhiều quốc gia nó vẫn còn đang ở thế hệ thứ 2. Trong mạng thông tin di động tế bào, mỗi một thập kỷ chứng ki ến một th ế h ệ mạng mới. Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm 1980. Đó là thế hệ đi ện thoại di động analog. Thế hệ thứ hai (2G) bắt đầu nổi lên từ những năm đ ầu của thập kỷ 90. Thế hệ thứ 2 là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ voice và cả data. Thế hệ thứ 3 (3G) bắt đầu từ năm 2001 ở Nhật, đặc trung bởi dịch v ụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao. Hệ thống ti ền 4G, những viên đá tảng cho thế hệ 4G, hy vọng sẽ được thương mại hóa vào thời gian tới tại Việt Nam. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 2
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 1.1. Con đường phát triển của các công nghệ mạng tế bào Trong 10 năm qua, công nghệ mạng không dây (vô tuyến) đã phát triển với tốc độ chóng mặt. Có rất nhiều loại hình mạng, nhiều công nghệ, nhiều chuẩn vô tuyến đã và đang được chuẩn hóa. Ở Việt Nam, công nghệ mạng không dây gần gũi nhất với nhiều người đó là công nghệ mạng thông tin di động tế bào. Tên thông dụng mà chúng ta th ường g ọi đó là mạng GSM/CDMA hay UMTS/WCDMA/CDMA2000… Bên cạnh đó là mạng cục bộ không dây WLAN sử dụng công nghệ Wifi 802.11 và các chuẩn khác nhau của Wifi a/b/g/k/m… Hiện nay những chiếc điện thoại di động cũng được trang bị công nghệ Bluetooth để truyền tải thông tin giữa các điện thoại di động hay giữa điện thoại di động và máy tính với nhau. 1.1.2. Phân loại mạng không dây Về cơ bản, mạng không dây có thể chia làm hai loại chính: thứ nhất là mạng h ạ tầng có các cổng kết nối hữu tuyến và cố định thường được g ọi là các đi ểm truy cập. Các thiết bị di động trong mạng kết nối và liên lạc với điểm truy cập g ần nhất SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 3
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET nằm trong bán kính truyền thông của nó; thứ hai là mạng Adhoc, là một tập hợp các nút mạng di động không dây nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một m ạng t ạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay sự qu ản lý t ập trung nào. Các nút mạng liên hết với nhau qua môi trường vô tuyến mà không c ần các bộ định tuyến cố định vì vậy mỗi nút mạng phải đóng vai trò như một b ộ đ ịnh tuyến di động có trang bị bộ thu phát không dây. Các bộ định tuyến tự do di chuyển một cách ngẫu nhiên và tự tổ chức một cách tùy tiện vì vậy cấu hình không dây của mạng thay đổi nhanh chóng và không thể đoán trước được. Mạng như vậy có th ể hoạt động độc lập hoặc kết nối với các mạng hạ tầng tạo thành mạng toàn cầu. 1.2. Mạng cơ sở hạ tầng 1.2.1. Giới thiệu chung về mạng cơ sở hạ tầng Mạng cơ sở hạ tầng là mô hình mạng của mạng WLAN đã có bằng cách sử dụng các Access Point, các thiết bị di động không giao tiếp trực tiếp với nhau mà giao tiếp với các điểm truy cập. Điểm truy cập AP đóng vai trò vừa là cầu n ối c ủa WLAN với các mạng khác, vừa là trung tâm điều khiển sự trao đổi thông tin trong mạng. Điểm truy cập giúp truyền và nhận dữ liệu giữa các thiết bị trong một vùng lớn. Phạm vi và số thiết bị trong mạng cơ sở hạ tầng tùy thuộc vào chuẩn sử dụng và sản phẩm của các nhà sản xuất. Trong mô hình mạng cơ sở h ạ tầng có th ể có nhiều AP để tạo ra một mạng hoạt động trên phạm vi rộng hay chỉ có duy nhất một Access Point cho phạm vi nhỏ như một căn nhà, một tòa nhà. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 4
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 1.2. Mô hình mạng cơ sở hạ tầng 1.2.2. Đặc điểm của mạng cơ sở hạ tầng • Tính cơ động: Đặc điểm khác biệt ràng và cũng là ưu điểm của m ạng c ơ sở hạ tầng đó chính là tính cơ động. Các máy trạm (PDA, Laptop, PC,…) trong mạng có thể di chuyển linh hoạt trong phạm vi vùng phủ sóng. Hơn thế nữa, nếu có nhiều mạng, các máy trạm sẽ tự động chuyển kết nối khi đi từ mạng này sang mạng khác. Điều này rất thuận tiện khi đi du lịch, công tác, hay khi di chuyển tới sân bay vẫn có thể gửi nhận email hay bất cứ lúc nào khác trong khi ngồi chờ tại sân bay, thuận lợi cho các doanh nghiệp là những ng ười hay di chuyển mà luôn cần có kết nối mạng. • Cài đặt đơn giản và giá rẻ: Chi phí triển khai mạng cơ sở hạ tầng rẻ vì WLAN không dùng cáp. Việc cài đặt cũng dễ dàng hơn, không bị ảnh hưởng bởi các chướng ngại vật. Nhiều quốc gia đã khuyến nghị khi mở rộng hay nâng cấp mạng nên tránh dùng cáp trong các tòa nhà. Với mạng WLAN người sử dụng có thể di chuyển trong mạng với khoảng cách cho phép, n ếu người sử dụng ra khỏi phạm vi mạng, hệ thống của người sử dụng s ẽ nhận bi ết mạng khác để đáp ứng yêu cầu. • Nhiễu: Do truyền thông qua môi trường sóng vì vậy sẽ có rủi ro nhiễu từ các sản phẩm khác sử dụng chung một tần số. • Bảo mật: Việc vô tình truyền dữ liệu ra khỏi mạng của công ty mà không thông qua lớp vật lý điều khiển khiến người khác có thể nhận tín hiệu và truy cập mạng trái phép. Tuy nhiên mạng WLAN có thể dùng mã truy cập mạng để ngăn cản truy cập, việc sử dụng mã tùy thuộc vào mức độ bảo mật mà người dùng yêu cầu. Ngoài ta người ta có thể sử dụng vi ệc mã hóa d ữ li ệu cho vấn đề bảo mật. 1.3. Mạng ADHOC 1.3.1. Giới thiệu chung về mạng Adhoc Mạng Adhoc là một tập hợp các nút mạng di động không dây, n ằm phân tán v ề mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ c ấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào. Mối thiết bị kết nối trực tiếp với các thiết bị SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 5
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET khác trong mạng, các nút di động trao đổi trực tiếp với nhau thông qua một bộ bi ến đổi vô tuyến. Về cơ bản, hai máy tính được thêm Card adapter vô tuyến có thể hình thành một mạng độc lập khi chúng ở trong dải tần của nhau. Mô hình này thích hợp cho việc kết nối một nhóm nhỏ các thiết bị và không cần giao tiếp với các hệ th ống mạng khác, như trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm vi ệc tạm thời. Các mạng hình thành theo nhu cầu như vậy không nhất thiết phải quản lý hay thiết lập cấu hình từ trước. Nút di động có thể truy cập vào các tài nguyên của máy khác mà không trải qua một máy trung tâm. Tuy nhiên, chúng có thể có những nhược điểm vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều nghe được lẫn nhau. Hình 1.3. Mô hình mạng Adhoc Hai mô hình mạng Adhoc được đề xuất gần đây là MANET (Mobile Adhoc Network) và VANET (Vehicular Adhoc Network). 1.3.2. Các đặc điểm của mạng Adhoc SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 6
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET • Tính di động: có thể truy cập dữ liệu khi đang di chuyển, nâng cao hi ệu quả truy suất dữ liệu. • Tốc độ triển khai nhanh và dễ dàng: không gặp phải những vấn đề về lắp đặt cáp mạng. • Tính mềm dẻo: có thể thiết lập những nhóm mạng nhỏ một cách nhanh chóng, việc mở rộng mạng là dễ dàng vì môi trường mạng sẵn có ở mọi nơi. • Chi phí: chi phí có thể giảm khi sử dụng kỹ thuật không dây, thiết bị hoạt động theo chuẩn 802.11 có thể dùng để tạo cầu nối không dây giữa hai tòa nhà; để thiết lập một cầu nối không dây càn những chi phí ban đầu như thi ết bị ngoài trời, các điểm truy cập và những giao tiếp không dây. • Mạng Adhoc bị giới hạn về khả năng của CPU, bộ nhớ, dung lượng pin và băng thông. Khi năng lượng sử dụng bị giới hạn kéo theo thời gian về khả năng truyền dẫn. 1.3.3. Ứng dụng của mạng Adhoc Adhoc được ứng dụng cho hội thảo, ứng dụng trong quân sự. Nó cũng được s ử dụng trong trường hợp triển khai cơ sở hạ tầng mạng là khó khăn. Ví dụ như: khách hàng có thể chia sẻ tệp tin dữ liệu ở sân bay, sinh viên trao đ ổi thông tin v ới nhau trong tiết học,… Khi máy tính di động giao tiếp thông qua giao diện mạng LAN vô tuyến, thì nhóm các máy tính đó hình thành mạng Adhoc, khi đó máy tính có th ể truy cập Internet, tài nguyên trên mạng như máy in, máy scan… • Dịch vụ khẩn cấp: Bất kỳ đâu có trường hợp khẩn cấp xảy ra đều cần có sự kết hợp các nhân viên cứu hộ. Giải pháp thông thường là dùng thiết bị không dây. Tuy nhiên, khi cơ sở hạ tầng bị hỏng hoặc không còn hoạt động thì giải pháp là gì? Adhoc chính là câu trả lời nhanh nhất và phù hợp nhất. Điều này có thể không có ý nghĩa với khu vực tổn thất nhỏ, tuy nhiên với thảm họa thiên nhiên có khu vực ảnh hưởng tàn phá rộng lớn, việc liên lạc rất quan trọng nên Adhoc trở thành giải pháp hữu ích. • Hội nghị: Trong hội nghị, hội thảo cần trao đổi thông tin giữa các đại biểu hoặc với các hội nghị khác. Đây là một nhu cầu lớn trong th ời đại phát tri ển SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 7
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET nhanh về thông tin như hiện nay, khi mà giải pháp home network chưa thật sự sẵn sàng. • Mạng gia đình: Việc sử dụng kỹ thuật của mạng Adhoc cho phép chúng tự cấu hình và hình thành mạng, hơn nữa, nếu ta có nhu cầu sử dụng máy tính ở công sở, trường học thì khối lượng thông tin quản lý mạng giảm xuống rõ rệt. • Mạng cá nhân: Ở thời đại thông tin thì một ngời cần mang theo nhiều công cụ hỗ trợ cho công việc (điện thoại, máy tính,…) khi chúng được liên kết v ới nhau hình thành mạng cá nhân PAN thì rõ ràng mang lại nhiều tiện ích hơn cho người sử dụng PAN là mạng di động do con người không thể ngồi yên một chỗ, tuy nhiên khi kết nối với mạng PAN khác cần trợ giúp cả Adhoc. • Hệ thống nhúng: Ngày càng có nhiều máy móc cần kết nối với những vật xung quanh kéo theo nhu cầu của mạng Adhoc. Nó có thể là đồ chơi có kh ả năng kết nối mạng, tương tác được với home network để tìm kiếm dữ liệu trên internet hoặc có thể kết nối với điện thoại, có thể điều chỉnh volume của TV khi có cuộc gọi đến… đáp ứng nhiều nhu cầu của người sử dụng. • Mạng cảm biến: Mạng cảm biến không dây là một ứng dụng đi ển hình của Adhoc. Hiện nay đã có những quan tâm đáng kể cho sự phát triển kiểu mạng này, chủ yếu là trong quân sự, công an, tình báo, khảo cổ học, nghiên cứu địa lý… Các bộ cảm biến có kích thước nhỏ nhưng khả năng truyền thông và lưu trữ tương đối tốt. Trong quân sự đa số dùng những máy móc hiện đại nhưng kích cỡ gần như hạt bụi nên đối phương rất khó phát hiện và phá hủy chúng. Trong lĩnh vực y tế, các bộ cảm biến cho phép giám sát liên tục thông tin tiêu chuẩn về sự sống. Trong công nghệ thực phẩm, kỹ thuật nhịp cảm biến được áp dụng để giám sát chất lượng có thể giúp ngăn ngừa các sản ph ẩm không đạt yêu cầu nên tăng mức thỏa mãn cho khách hàng. Trong nông nghiệp, các bộ cảm biến có thể giúp xác định chất lượng đất trồng và độ ẩm, chúng cũng có thể phát hiện các hợp chất khác. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 8
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET CHƯƠNG II Mạng VANET 2.1. Tổng quan về mạng VANET Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di đ ộng. VANET bi ến 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 đ ến 300 mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng. Do các xe có thể đi ra kh ỏi vùng ph ủ 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 di động được tạo nên. Trong th ực tế, hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính c ứu h ỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 9
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 2.1. Mô hình mạng VANET Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu l ượng xe c ộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,… Các xe s ẽ liên lạc với nhau (Car-to-Car Communication hay M2M (Machine-to-Machiner Comnunication) để chia sẻ thông tin lẫn nhau. Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho hành khách. Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Adhoc cho các hành khách. Mạng này hướng đến hoạt đ ộng mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản. Mỗi thi ết b ị ho ạt đ ộng trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc làm trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây. Xét tr ường hợp x ảy ra ca trạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sễ được gửi đi thông qua mạng VANET tới các phương tiện tham gia giao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải quyết sự cố, đảm bảo an toàn cho các phương tiện khác. Người tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET, thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi thông tin SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 10
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET hình ảnh, video, gọi điện video. Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương ti ện tham gia giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí như phí g ửi xe, phí c ầu đường,… Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và chia s ẻ đ ường truyền vô tuyến. Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở chỗ: các node mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau. Vấn đề đặt ra là chúng ta cần tìm hiểu, đánh giá giao thức định tuyến cho mạng VANET dựa trên kiến trúc mạng MANET để phù hợp với tính di động c ủa các node mạng trong mạng VANET. VANET là một mạng có những đặc tính riêng, cơ bản nhất là nó không yêu cầu cơ sở hạ tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần Base Station như những hệ thống di động khác nhau (GSM CDMA, 3G); không cần bộ Access Point để hỗ trợ cho Wifi và Wimax. Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục được giới hạn của truyền dẫn sóng vô tuyến nhờ vào các nút trung gian. Tuy nhiên, do giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất nhiều khả năng bị “nghe trộm” hoặc là thông tin truyền đi có thể bị sai l ệch. Trong mạng việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan tr ọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đứng tình hình giao thông hoặc các sự cô trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra những tác động nguy hiểm khôn lường (nếu như thông tin do một xe truyền đi là không chính xác hoặc sai lệch). Sở dĩ như vậy vì khi thiết kế mạng này, thường thì các thông tin sẽ được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút điều đó gây ra ảnh h ưởng như “phản ứng dây truyền”. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 11
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 2.2. Hệ thống VANET Các đặc điểm của mạng VANET • Các node mạng di chuyển với tốc độ cao : Nếu hai xe di chuyển ngược chiều với tốc độ 25m/s (90km/h) và phạm vi truyền dẫn khoảng 250m thì kết nối giữa hai xe chỉ kéo dài khoảng 5s. • Thường xuyên ngắt kết nối mạng: Như giả thiết nêu trên thì sau 5s hai chiếc xe đã ngắt kết nối với nhau, để đảm bảo kết nối thông suốt thì chúng ta ph ải thiết lập liên kết khác với xe gần đó. Trong các trường hợp ngắt kết n ối như vậy, đặc biệt trong khu vực mật độ xe thấp thì thường xuyên xảy ra vi ệc ngắt kết nối mạng, giải pháp là phải có các node mạng chuyển tiếp. • Mô hình chuyển động và dự đoán: Chúng ta cần các thông tin về vị trí các node và sự chuyển động của chúng, rất khó để đoán chuyển động của các xe. Để kiến trúc mạng hoạt động hiệu quả chúng ta cần phải nghiên cứu mô hình chuyển động và dự đoán chuyển động từ trước. • Môi trường truyền thông tin: Mô hình các node (xe) chuyển động trên hệ thống đường cao tốc, chuyển động một chiều điều này là dễ dự đoán đ ược nhưng cấu trúc đường phố, mật độ xe, tòa nhà, cây cối lại gây ra cản trở quá trình truyền thông tin. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 12
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET • Hạn chế trễ cứng: Các vấn đề an toàn (tai nạn, phanh xe,…) của node mạng phải thông báo đến các node mạng liên quan. Điều này đơn giản không th ể thỏa hiệp với trễ dữ liệu cứng trong vấn đề này. Do đó tốc độ dữ liệu cao không là vấn đề quan trọng cho VANET như việc khắc phục các vấn đ ề về hạn chế sự chậm của trễ cứng. • Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến này sẽ giúp cung cấp các vị trí nút và chuyển động của các node để sử dụng cho liên kết truyền thông hiệu quả và mục đích định tuyến. 2.2. Các thách thức của mạng VANET VANET là một ví dụ cụ thể của mạng MANET, MANET có cơ sở h ạ tầng cố định và dựa trên các nút ban đầu để hình thành định tuyến và các chức năng quản lý mạng. Tuy nhiên, mạng xe cộ hoạt động khác hơn sơ với mạng MANET thông thường. Các hạn chế về di động, tốc độ cao tạo nên điểm đặc bi ệt của VANET. Những đặc điểm này có ý nghĩa quan trọng trong thông tin liên lạc giữa các xe. • Vận tốc nút Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của tính di động trong VANET là vận tốc nút thay đổi liên tục. Trong trường hợp này, các nút biểu thị cho các xe hoặc các thiết bị bên đường (RSU). Vận tốc nút có thể biến đ ổi từ 0 (cho các RSU đ ặt c ố định, hoặc các xe đang đứng yên, tắc đường) cho đến mức xe chuyển đông 200 km/h. Đặc biệt, điều này gây ra thách thức lớn cho thông tin liên l ạc. Trong tr ường hợp vận tốc nút cao, cửa sổ liên lạc wireless sẽ rất ngắn do ph ạm vi truy ền t ương đối nhỏ (khoảng vài trăm mét). Ví dụ, hai ô tô chuyển động ng ược chi ều nhau v ới vận tốc 90km/h=25m/s, giả định khả năng truyền của mỗi nút là 300m thì chúng có thể chỉ giao tiếp trong 2s. Hơn nữa, các máy thu phát còn gặp phải các hiện tượng như hiệu ứng Droppler. Trong việc xem xét các vấn đề liên quan đến phương tiện truyền thông, vi ệc s ử dụng các giao thức định tuyến dự trên topo mạng không phù hợp (do cấu trúc mạng thay đổi nhanh và khi xe chuyển động với tốc độ cao thì có thể thất bại), ngay cả khi có đầy đủ các thiết lập. Tuy nhiên, khi các nút chuyển đ ộng ch ậm, nghĩa là topo mạng ổn định, nhưng mật độ xe cộ lại cao, các kết quả khả thi hơn. • Mô hình chuyển động SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 13
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET VANET được đặc trưng bởi số nút di động (tức là theo tốc đ ộ xe ô tô). Tính di động có thể ảnh hưởng ít hay nhiều dựa vào cấu trúc đường ph ố (đ ường ph ố nhỏ, đường cao tốc). Các xe không chuyển động lộn xộn, mà nó được xác đ ịnh trước, thường theo hai hướng. Thông thường có 3 loại đường: - Đường thành phố: Trong thành phố, mật độ xe cao, có nhiều đường nhỏ, nhưng cũng có nhiều đường lớn. Nút giao thông phân cách thành nhiều ph ần. Thông thường có nhiều tòa nhà bên đường nên truyền Adhoc có thể bị hạn chế. - Đường nông thôn: Những đường ở nông thôn thông thường lớn hơn ở thành phố, ít các nút giao thông, ít các nhà cao tầng hơn thành phố. Đi ều ki ện giao thông thường không cho phép hình thành một mạng lưới vì ít xe trên đường. - Đường cao tốc: Đường cao tốc hình thành một con đường nhiều làn xe, trong đó có phân đoạn rất lớn xác định lối ra của đường. Ở đây lưu lượng truy c ập tốc độ cao. Một nút có thể nhanh chóng vào hoặc thoát ra khỏi mạng trong khoảng thời gian rất ngắn nên dẫn đến mạng phân vùng và thay đổi liên kết. • Mật độ nút cao Ngoài tốc độ và mô hình di chuyển, mật độ nút cũng là một phần quan trọng của mạng xe cộ. Trong một mạng, số lượng các xe trong khoảng hàng chục, thậm chí hàng trăm. Nếu chúng ta bị kẹt xe trên đường cao tốc với 4 làn xe, mỗi xê cách nhau khoảng 20 mét và khoảng vô tuyến là 300 mét, về mặt lý thuyết mỗi xe sẽ có 120 xe trong phạm vi truyền dẫn của mình. Trong trường hợp mật độ rất thấp, không thể ngay lập tức mà có thể truyền tải được các bản tin. Trong trường hợp này, có thể lưu trữ, chuyển tiếp thông tin khi xe gặp nhau. 2.3. Cấu trúc hệ thống mạng VANET SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 14
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 2.3. Cấu trúc hệ thống mạng VANET Một kiến trúc hệ thống mạng VANET bao gồm các domain và nhiều thành ph ần riêng rẽ như Hình 2.3. Hình 2.3 cho thấy 3 domain (gồm trong xe, Adhoc, c ơ sở h ạ tầng) và các thành phần riêng rẽ (đơn vị ứng dụng, đơn vị trên xe và đ ơn v ị bên đường). • Trong xe: Bao gồm một OBU và nhiều AU bên trong một chi ếc xe. AU th ực 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 l ựa 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 SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 15
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET tiếp 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 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 khác nhau. Không phải RSU, cũng không phải HT truy cập Internet, mà OBU có th ể giao tiếp với mạng di 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 d ịch 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 li ệu 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 dâynm 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. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 16
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET o Cung cấp kết nối Internet cho OBU. Hình 2.4. RSU mở rộng khoảng giao tiếp Hình 2.5. RSU như là một nguồn thông tin SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 17
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET Hình 2.6. RSU cung cấp dịch vụ Internet để OBU truy cập CHƯƠNG III Giao thức định tuyến trong mạng VANET 3.1. Yêu cầu của các giao thức định tuyến trong mạng VANET Trong mạng VANET, mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển nên sẽ không có một nút mạng nào cố định để điều khiển chức năng mạng trung tâm. Do đó, v ấn đ ề được quan tâm đặc biệt là làm thế nào để các nút mạng “bắt tay nhau” và duy trì được quá trình truyền thông mà không lãng phí tài nguyên mạng. Đã có nhiều đề xuất và giải pháp định tuyến được đưa ra cho mạng VANET. Các giao thức đó đ ều tập trung vào giải quyết những hạn chế đặc biệt của mạng này, đó là v ấn đ ề băng thông thấp, tỷ lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán của thiết bị thấp. Một số yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng VANET: SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 18
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET • Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc vào nút mạng điều khiển tập trung. • Đường định tuyến hở: Để nâng cao chất lượng hoạt động, giao thức định tuyến cần đảm bảo đường định tuyến cung cấp là đường mở, điều này s ẽ làm giảm lãng phí băng thông và năng lượng tiêu thụ CPU. • Hoạt động dựa trên yêu cầu: Mục đích chính để tối thiểu hóa phần thông tin điều khiển trong mạng, giao thức định tuyến chỉ tìm đường khi cần thiết và không quảng bá liên tục. • Hỗ trợ các liên kết một chiều: Kết hợp với các liên kết hai chiều làm tăng chất lượng của giao thức định tuyến. • Bảo mật: Sử dụng các phương pháp bảo mật cho mạng không dây để đ ảm bảo an toàn cho thông tin trong quá trình truyền dẫn. • Bảo toàn năng lượng: Các thiết bị trong mạng VANET thường sử dụng pin rất giới hạn về mặt năng lượng, nên cần có chế độ chờ (standby) để tiết kiệm năng lượng. • Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm sự tác động do thay đổi về topo mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn. Một đường định tuyến có sẵn sẽ giúp cho việc kết nối trở lại mà không cần định tuyến tìm đường khác. • Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức định tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng, chẳng hạn sự hỗ trợ th ời gian thực… 3.2. Các tham số đánh giá chất lượng Một số tham số đánh giá chất lượng mạng VANET: • Tỷ lệ gói nhận được tối ưu: Là tỷ lệ lớn nhất giữa số gói được nhận bởi nút mạng đích và số gói được gửi đi từ lớp ứng dụng. • Phần tải thông tin định tuyến tối ưu: Là tỷ lệ phần tải nhỏ nhất dành cho thông tin định tuyến. SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 19
Mạng VANET và các giao thức định tuyến trong mạng VANET • Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tối ưu: Là thời gian ngắn nhất mà gói tin truyền trên mạng từ nút mạng nguồn đến nút mạng đích. • Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối tối ưu: Là khối lượng thông tin lớn nhất truyền trên đường truyền trong một đơn vị thời gian (Kbps). • Đường truyền dẫn tối ưu: Là đường truyền dẫn ngắn nhất giữa hai nút mạng. • Tải của mạng tối ưu: Là tải thực sự lớn nhất mà mạng đáp ứng, thể hiện qua các thông số: kích thước gói tin, số lượng kết nối, tốc độ gửi gói tin. • Kích cỡ mạng tối ưu: Được thể hiện qua số lượng nút mạng, kích thước vùng mô phỏng lớn nhất có thể. 3.3. Phân loại giao thức định tuyến trong mạng Adhoc SVTH: Nguyễn Mạnh Bằng - 509102004 20