Luận văn thạc sĩ về đánh giá chất lượng giao thức MAC IEEE 802.11p trong mạng VANET

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá chất lượng giao thức MAC IEEE 802.11p trong mạng VANET, góp phần nâng cao hiệu suất truyền thông.

• Tác giả: Nguyễn Phước Tường Vân
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Liên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Đánh Giá Chất Lượng Giao Thức MAC IEEE 802.11P Trong Mạng VANET
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giao thức MAC IEEE 802

Giao thức MAC IEEE 802.11p được thiết kế đặc biệt cho mạng VANET (Vehicular Ad hoc Network), nhằm hỗ trợ giao tiếp giữa các phương tiện và giữa phương tiện với hạ tầng cố định. Trong bối cảnh hệ thống giao thông thông minh (ITS), việc trao đổi thông tin nhanh chóng và hiệu quả giữa các phương tiện là rất quan trọng để nâng cao độ an toàn và hiệu suất giao thông. Giao thức này sử dụng phương pháp Enhanced Distributed Channel Access (EDCA), cho phép phân quyền ưu tiên cho các loại lưu lượng khác nhau, đặc biệt là lưu lượng khẩn cấp và dịch vụ. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng chất lượng giao thức này có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của việc truyền tải thông tin, đặc biệt trong các tình huống khẩn cấp. Theo một nghiên cứu, "Giao thức IEEE 802.11p chưa cung cấp được độ tin cậy cao cho các gói thông tin khẩn cấp và thông lượng cao cho gói dịch vụ khi tải mạng tăng lên." Điều này đặt ra yêu cầu cần thiết để thực hiện các cải tiến trong giao thức nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ứng dụng giao thông.

1.1 Cấu trúc hệ thống WAVE

Hệ thống WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment) được thiết kế để cung cấp các giải pháp giao tiếp không dây cho các phương tiện trong mạng VANET. Cấu trúc này bao gồm nhiều thành phần như Access Categories (AC) và Quality of Service (QoS), cho phép việc phân loại và quản lý lưu lượng hiệu quả. WAVE hỗ trợ hai loại giao tiếp chính: giao tiếp giữa các phương tiện (V2V) và giao tiếp giữa phương tiện với hạ tầng (V2I). Sự phát triển của WAVE đã mở ra những cơ hội mới cho các ứng dụng giao thông thông minh, giúp giảm thiểu tai nạn và nâng cao hiệu quả quản lý giao thông. Theo báo cáo, "WAVE có thể hoạt động hiệu quả trong các môi trường khác nhau, từ đô thị đến nông thôn, với khoảng cách truyền lên đến 1000m." Điều này cho thấy tính linh hoạt và khả năng thích ứng của hệ thống trong việc đáp ứng nhu cầu giao thông đa dạng.

II. Phân tích chất lượng giao thức MAC

Đánh giá chất lượng của giao thức MAC IEEE 802.11p là một vấn đề quan trọng trong việc phát triển mạng VANET. Để thực hiện việc này, mô hình phân tích sử dụng Markov Chain đã được áp dụng để mô phỏng quá trình backoff trước khi gửi gói tin. Mô hình này giúp đánh giá các thông số như tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp, độ trễ trung bình và thông lượng gói dịch vụ. Nghiên cứu cho thấy rằng khi số lượng phương tiện trong mạng tăng lên, độ trễ và tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp có xu hướng giảm. Điều này có thể được lý giải bằng việc tăng tải mạng dẫn đến sự cạnh tranh giữa các phương tiện trong việc truy cập kênh truyền. "Kết quả từ mô hình phân tích cho thấy rằng chất lượng giao thức MAC cần được cải thiện để đảm bảo độ tin cậy cho các gói tin khẩn cấp." Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa giao thức để nâng cao hiệu suất mạng.

2.1 Các thông số đánh giá

Trong nghiên cứu, ba thông số chính được sử dụng để đánh giá chất lượng giao thức MAC là: tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp, độ trễ trung bình khi truyền gói khẩn cấp và tổng thông lượng gói dịch vụ. Tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp phản ánh khả năng giao tiếp hiệu quả trong tình huống khẩn cấp, trong khi độ trễ trung bình cho thấy thời gian cần thiết để truyền tải thông tin. Tổng thông lượng gói dịch vụ thể hiện khả năng xử lý lưu lượng dịch vụ trong mạng. "Kết quả cho thấy rằng với tải mạng cao, IEEE 802.11p không đáp ứng được yêu cầu về độ tin cậy và thông lượng, đặc biệt là trong các tình huống khẩn cấp." Điều này cho thấy cần có các giải pháp cải tiến để nâng cao hiệu suất của giao thức trong các ứng dụng thực tiễn.

III. Kết quả mô phỏng và so sánh

Kết quả từ mô phỏng cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa mô hình phân tích và mô hình thực tế trong việc đánh giá chất lượng giao thức MAC IEEE 802.11p. Mô phỏng cho thấy rằng khi số lượng node trong mạng thay đổi, tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp và thông lượng gói dịch vụ cũng thay đổi tương ứng. "Mô hình phân tích gần như chính xác với kết quả từ mô hình mô phỏng, cho thấy rằng phương pháp sử dụng Markov Chain là một công cụ hữu ích trong việc đánh giá chất lượng mạng." Sự khác biệt giữa hai mô hình có thể được lý giải bởi các yếu tố như độ phức tạp của môi trường mạng và các yêu cầu cụ thể của từng loại lưu lượng. Việc so sánh này không chỉ giúp xác định điểm mạnh và điểm yếu của giao thức mà còn cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện chất lượng giao thức trong các ứng dụng giao thông thông minh.

3.1 Phân tích kết quả

Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng giao thức MAC IEEE 802.11p cần được cải thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ứng dụng giao thông. Cụ thể, tỷ lệ truyền gói tin khẩn cấp giảm khi số lượng phương tiện tăng lên, cho thấy sự cần thiết phải tối ưu hóa giao thức để đảm bảo độ tin cậy trong các tình huống khẩn cấp. "Độ trễ trung bình khi truyền gói tin khẩn cấp cũng tăng lên, điều này có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn giao thông." Sự phân tích này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hiệu suất của giao thức mà còn mở ra hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm cải thiện chất lượng giao thức trong mạng VANET.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 trình bày các kiến thức tổng quan về VANET, bộ chuẩn WAVE được thiết kế cho VANET, chi tiết giao thức IEEE 802.11p trong WAVE và khái niệm về Markov Chain sẽ được sử dụng cho mô hình phân tích ở Chương 2.1 VANET Hệ thống vận tải thông minh ITS đưa ra những vấn đề cấp thiết trong an toàn giao thông. Các bộ chuẩn (như IEEE, CALM và C2C-CC) cho ITS ảnh hưởng đáng kể đến việc đạt được mục đích về hiệu suất quản lý giao thông đường bộ thông qua các ứng dụng và các giao thức khác nhau. Tỷ lệ tai nạn trên đường có thể giảm khi sử dụng các ứng dụng quản lý giao thông phù hợp. ITS vẫn đang đưa ra những giải pháp quản lý giao thông nhằm tạo được hệ thống giao thông an toàn và chất lượng tốt hơn.

ITS cũng đưa ra những vấn đề an ninh liên quan đến các ứng dụng an toàn. Các tổ chức như ISO (International Standard Organization), IEEE (Istitute of Electrical and Electronic Engineers) và C2C-CC (Car to Car Communication Consortium / GeoNet) đang thực hiện những đề án cho cấu trúc ITS. IEEE giới thiệu một lớp giao thức hoàn chỉnh cho bộ giao thức 1609 và gọi tên là WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment). Chuẩn này chia thành các chuẩn phụ khác nhau để đảm bảo việc xử lý từng phần của các vấn đề khác nhau ở các lớp khác nhau.

Nó hỗ trợ các giao tiếp dành riêng cho phạm vi ngắn (DSRC – Dedicated Short Range Communication). WAVE có hai chế độ giao tiếp: - Các ứng dụng an toàn (Non-IP) - Các ứng dụng không an toàn dựa trên IPv6. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 13 Băng tần sử dụng là 5.

Đề nghị của ISO đưa ra cho VANET là CALM (Continuous Air Interface for Long to Medium range). ISO CALM được thiết kế để giải quyết vấn đề về giao tiếp liên tục giữa các phương tiện giao thông và giữa các phương tiện giao thông với trạm cố định. Khái niệm về CALM dựa trên khung giao tiếp kết hợp không đồng nhất để cung cấp giao tiếp liên tục cho user đang di chuyển. Các đề tài khác nhau được thực hiện như COOPERS và SAFESPOT bao gồm khái niệm chính về CALM trong các nghiên cứu đó.

CALM đưa ra việc sử dụng các giao diện khác với việc sử dụng 802.11p đưa ra bởi WAVE. C2C-CC trở lại với công nghiệp xe hơi của Châu Âu. Họ nghiên cứu các giao tiếp giữa các phương tiện giao thông và giữa phương tiện giao thông với trạm cố định, đặc biệt đối với các ứng dụng an toàn. Họ đưa ra cấu trúc C2CNet cho các ứng dụng an toàn.

C2CNet kết hợp chặt chẽ bởi GeoNet trong cấu trúc toàn diện theo đề tài COMeSafety. C2CNet dựa trên định tuyến địa lý, thêm vào đó là thiết kế unicast và broadcast được đưa ra bởi hai cấu trúc khác nhau. C2C-CC giải quyết bài toán cho các ứng dụng an toàn và không an toàn. Các ứng dụng không an toàn sử dụng IPv6 cho các kết nối không dây multihop để giao tiếp với các OBU, RSU và có thể truy cập internet cho các ứng dụng khác.

IETF là nội dung một chuẩn khác cho mạng di động và được giới thiệu khái niệm về tính di động của mạng (NEMO – Network Mobility) trong MANET (Mobile Ad hoc Network). Các dự án khác nhau được bắt đầu từ các nước Châu Âu. Ví dụ như NOW, COMeSafety, CVIS, SAFESPOT, COOPEERS, GST, GeoNet, FleetNet, GrooveSim, CARLINK… Trong đề tài này, tôi tập trung phân tích giao thức 802. Do đó, trong phần sau tôi xin nêu chi tiết đặc điểm bộ chuẩn WAVE của IEEE.

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 14 1.2 WAVE Các hệ thống giao thông thông minh bắt đầu phát triển từ những năm 1990, để tự động hóa sự tương tác giữa các phương tiện giao thông và các trạm gốc nhằm đạt được độ bảo mật cao, tiện lợi và hiệu quả. Việc giao tiếp, nói chung, và kết nối mạng, nói riêng, là các yếu tố rất cần thiết trong việc cải cách các hệ thống này. IEEE đã phát triển một cấu trúc hệ thống gọi là WAVE (Wireless Access and Vehicular Environment) để cung cấp mạng truy cập không dây giữa các phương tiện giao thông.1 Cấu trúc hệ thống WAVE Ta có thể hình dung ba trường hợp ứng dụng sau:  Một phương tiện hỗ trợ khẩn cấp, ví dụ xe cứu hỏa, chạy đến ngã tư.

Khi gần đến giao lộ, thiết bị vô tuyến trên xe sẽ gửi một tin nhắn đến các phương tiện gần đó để xin quyền ưu tiên lưu thông. Máy tính tích hợp trên bất kỳ phương tiện nào nhận được tin nhắn sẽ báo động cho tài xế biết về tình huống khẩn cấp, sau đó, nếu cần thiết, phương tiện sẽ tự động giảm tốc độ để tránh va chạm.  Khi lái xe đi du lịch cuối tuần trong trung tâm thành phố, bộ thu phát không dây trong xe sẽ nhận thông báo từ AP (Access Point) trong tòa nhà, giới thiệu về các bản đồ trên hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được cập nhật với thông tin về những điểm tham quan du lịch. Sau khi nhận xác nhận từ những hành khách quan tâm, bộ thu phát sẽ tải bản đồ xuống thiết bị trên xe.

 Trên đường đi làm và sử dụng hệ thống tiếng nói trên xe, khách hàng có thể kết nối với ứng dụng Calendar trên Web để nghe lịch làm việc của ngày hôm đó. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 15 Bảng 1.1: Các dịch vụ WAVE cung cấp Loại dịch vụ cung cấp Dịch vụ cung cấp Quản lý du lịch và giao thông Thông tin du lịch trước chuyến đi Thông tin cho lái xe đang lưu thông Hướng dẫn đường đi Điều khiển giao thông Quản lý tình huống lưu thông khẩn cấp Quản lý nhu cầu du lịch Kiểm tra giấy thông hành Thông báo giao lộ giữa đường cao tốc và đường ray xe lửa Quản lý giao thông công cộng Quản lý giao thông công cộng Thông tin về đường đang lưu thông An ninh du lịch công cộng Thanh toán tiền điện Các dịch vụ thanh toán tiền điện Quản lý trường hợp khẩn cấp Thông báo khẩn và an toàn cá nhân Quản lý phương tiện cấp cứu Ứng phó và sơ tán khi có thảm họa Các hệ thống an toàn trong các phương Tránh va chạm trước, sau tiện cao cấp Tránh va chạm bên hông Tránh va chạm tại giao lộ Báo trước để tránh vụ tai nạn đã xảy ra Thiết lập tự động trên phương tiện Quản lý thông tin Dữ liệu lưu trữ Quản lý xây dựng và tu bổ Các hoạt động xây dựng và tu bổ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS. PHẠM HỒNG LIÊN Trang 16 Trường hợp đầu tiên là ví dụ cho ứng dụng an toàn công cộng, hay còn gọi là giao tiếp giữa các phương tiện giao thông với nhau V2V (Vehicle to Vehicle) hoặc có thể gọi là IVC (Inter-Vehicle Communications).

Hai trường hợp còn lại là ứng dụng cá nhân, hay còn gọi là trao đổi thông tin giữa phương tiện giao thông và các trạm cố định V2I (Vehicle to Infrastucture) hoặc tên gọi khác là RVC (Roadside to Vehicle Communications). Trường hợp thứ ba là đặc trưng cho việc truy cập Internet đơn thuần. Đây là ba trường hợp đặc trưng của WAVE. Ngoài ra còn có một số trường hợp khác được nêu trong Bảng 1.1 Các thành phần trong hệ thống WAVE Hệ thống WAVE bao gồm các thành phần như Hình 1.

Các trạm cố định RSU (Roadside Unit) thường được đặt trong các trụ đèn giao thông, trụ biển báo…; chúng có thể thay đổi vị trí (ví dụ như được vận chuyển đến công trường xây dựng) nhưng không thể hoạt động trong quá trình vận chuyển. Các thiết bị di động OBU (Onboard Unit) được tích hợp trong các phương tiện giao thông và có thể hoạt động trong khi di chuyển. Các thành phần trong WAVE hoạt động độc lập nhau, trao đổi thông tin qua một kênh vô tuyến cố định gọi là kênh điều khiển CCH (Control Channel). Tuy nhiên, chúng cũng có thể tự tạo thành các mạng nhỏ, gọi là WBSS (WAVE Basic Service Set), giống như các bộ dịch vụ định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.

WBSS có thể chỉ bao gồm OBU, hoặc cả OBS và RSU (Hình 1. Các thành phần trong một WBSS riêng trao đổi thông tin qua một trong các kênh vô tuyến gọi là kênh dịch vụ SCH (Service Channel). Thông qua các cổng tương ứng, một WBSS có thể kết nối với mạng khu vực rộng (Hình 1.2 Giao thức giao tiếp Cấu trúc WAVE hỗ trợ hai bộ giao thức, như trong Hình 1. Trong thuật ngữ của mô hình OSI, cả hai đều như nhau ở lớp Physical và DataLink, và khác nhau ở lớp ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS.

PHẠM HỒNG LIÊN Trang 17 Network và Transport. Chuẩn WAVE không nêu cụ thể các lớp Session, Presentation và Application. Tuy nhiên, chuẩn đưa ra hai yếu tố không dễ đáp ứng trong giới hạn của mô hình OSI: quản lý tài nguyên (Resource manager) và các dịch vụ đảm bảo (Security services) (Hình 1.1: Minh họa hệ thống WAVE Hai bộ giao thức được hỗ trợ bởi WAVE là IPv6 truyền thống (Internet Protocol version six) và WSMP (WAVE Short-Message-Protocol). Nguyên nhân ra đời hai bộ giao thức này là để thích nghi với các giao tiếp đòi hỏi độ ưu tiên cao và thời gian chính ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS.

PHẠM HỒNG LIÊN Trang 18 xác, cũng như thêm hay bớt yêu cầu trao đổi, ví dụ như TCP/UDP (Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol). Một ứng dụng cụ thể là xin trước quyền lưu thông qua giao lộ ít đòi hỏi về độ dài dữ liệu hay độ phức tạp, nhưng lại rất quan tâm đến độ trễ và xác suất lỗi. WSMP cho phép ứng dụng gửi các tin ngắn và trực tiếp kiểm soát các thông số của tài nguyên vô tuyến để tối đa hóa xác suất tất cả các node liên quan sẽ nhận được tin nhắn trong thời gian cho phép. Tuy nhiên, WSMP không đủ hỗ trợ các ứng dụng Internet điển hình, và cần nhờ các nhà đầu tư tư nhân giúp truyền tín hiệu, đồn thời giúp giảm chi phí triển khai hệ thống, bao gồm cả IPv6.

Resource manager OSI model UDP/TCP layer 4 WSMP OSI model IPv6 layer 3 Security LLC WME services OSI model Multichannel MLME layer 2 operation extension WAVE MAC MLME OSI model WAVE PHY PLME layer 1 Data Management plane plane IEEE 1609.2: Chuẩn ứng dụng trên mỗi lớp OSI quy định bởi WAVE ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P TRONG MẠNG VANET CBHD: PGS.