Chương 1 TỔNG QUAN 1. 1 G IỚ I T H IỆU Hình 1. 1: Mô hình mạng VANET Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe di chuyển nhƣ các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di 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 phƣơng tiện khác trên một mạng Internet di động đƣợc tạo nên. Trong thực tế, hệ thống đầu tiên đƣợc 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. 1 Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lƣu lƣợng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thƣờng nhƣ đa phƣơng tiện, Internet, Các xe sẽ 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 đƣợc đặt bên trong các phƣơng tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Adhoc cho các hành khách. Mạng này hƣớng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản. Mỗi thiết bị hoạt động 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 trƣờng hợp xảy ra các trạm giữa các phƣơng tiện trên đƣờng, các tín hiệu cảnh báo sẽ đƣợc gửi đi thông qua mạng VANET tới các phƣơng 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 phƣơng tiện khác.
Ngƣời tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET, thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phƣơng tiện nhƣ trao đổi thông tin. Một số giao thức đang đƣợc phát triển bởi các nhóm khác cũng có doanh nghiệp nhƣ Ford và General Motors cũng đã tạo ra một Avoidance Metric Đối tác Crash (CAMP) [4] để cải thiện các dịch vụ VANET. Để đƣa mạng VANET vào sử dụng trên diện rộng thì một số lƣợng lớn các thách thức nghiên cứu cần đƣợc giải quyết. Trong đó, việc thiết kế các giải thuật định tuyến có khả năng mở rộng cho mạng VANET là một yêu cầu mang tính cấp thiết.
Các giải thuật đó phải đủ mạnh để thích ứng với sự gián đoạn thƣờng xuyên của các đƣờng truyền gây ra bởi sự di chuyển của các phƣơng tiện. 2 Có nhiều cải tiến đáng chú ý có thể đạt đƣợc bởi việc điều chỉnh các giao thức định tuyến đó để phản ánh cấu trúc mạng biến đổi của VANET khi bao gồm các thông tin về sự di chuyển của phƣơng tiện nhƣ: - Vị trí. - Hƣớng di chuyển. - Lập bản đồ số của các tuyến đƣờng.
2 TỔ N G Q U A N TÌ N H HÌ N H N G H IÊ N CỨ U Trong những năm gần đây, công nghệ mạng không dây đã thực sự rất phát triển ở hầu hết các nƣớc trên thế giới. Những chiếc điện thoại di động tiên tiến ra đời tƣơng thích với các thế hệ di động tiên tiến. Mô hình mạng MANET đã đƣợc triển khai và ứng dụng phổ biến tại thị trƣờng 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 động tùy biến VANET. Với mạng di động tùy biến VANET, nhiều nƣớc đã đƣa vào hệ thống giao thông thông minh. Mỗi chiếc xe chuyển động trên đƣờng đƣợc coi nhƣ một nút 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 nghệ này, tình trạng tắc đƣờng, tai nạn giao thông sẽ đƣợc kiểm soát. Việc thu phí đƣờng cũng trở nên nhanh gọn và dễ kiểm soát hơn mà không cần tốn nhân lực. Mạng VANET có rất nhiều giao thức định tuyến đƣợc nghiên cứu nhƣng trong đề tài này chỉ tập chung vào 2 giao thức AODV và GPSR chạy trên chuần 802.11 và hiệu suất của cả hai giao thức AODV và GPSR đƣợc cải thiện bằng cách sử dụng IEEE 802. Hiệu 3 suất năng lƣợng của hai giao thức cải tiến AODV và GPSR đƣợc phát triển trong bài báo [9], [10], [11].
Liên quan đến kỹ thuật định tuyến tronng VANET có rất nhiều công trình nghiên cứu đƣợc công bố [12-15]. các tác giả đã thực hiện Phân tích hiệu suất của các giao thức định tuyến trong môi trƣờng thực tế cho mạng xe cộ. [25] Trong bài báo này, đánh giá hiệu suất và khả năng sử dụng công nghệ không dây Vehicular Ad hoc Networks (VANET) đƣợc nghiên cứu. Sử dụng cô cụ mô phỏng NS-2 chuyển gói tin trong giao thông xe của các khu vực lớn hơn, mô phỏng các phần cứng WLAN với giao thức định tuyến Ad hoc On Demand Distance Vector (AODV).
Kiểm tra các kết nối đã chỉ ra rằng đó là một lựa chọn thực tế để sử dụng mạng ad hoc cho giao thông xe cộ. Nhƣng mô phỏng trong bài báo này cũng đã rút ra rằng một số cải tiến giao thức và phần mở rộng sẽ dẫn đến hiệu suất tốt hơn nhiều đặc biệt là phát sóng. Trong bài báo này, đề xuất hai cơ chế phát sóng mới mà cố gắng giảm thiểu số lƣợng các thông điệp phát sóng và để có đƣợc ổn định hơn các tuyến đƣờng: Secure Ring Broadcasting (SRB) và Directed Route Nút Selection (DRNS). SRB thiết lập các tuyến đƣờng qua các nút trung gian có một khoảng cách thích hợp giữa mỗi nút.
Điều này phù hợp trong thành phố giờ cao điểm có mật độ nút cao có lợi cho di chuyển do xử lý nhanh. DRNS đã đƣợc phát triển cho đƣờng cao tốc phải mất thời gian cập nhật các nút trung gian trong một tuyến đƣờng ở hƣớng đối diện. Hƣớng đề suất là đƣa ra giao thức kết hợp cả hai cách tiếp cận chủ động và phản ứng. Phân chia sơ đồ mạng 4 thành các khu vực khác nhau.
Định tuyến bên trong các khu vực (intra-zone routing) đƣợc thi hành bởi một giao thức chủ động. Mặt khác, để tăng khả năng mở rộng của hệ thống, định tuyến giữa các khu vƣc (inter-zone routing) đƣợc thực hiện bởi giao thức phản ứng. Đó là giao thức định tuyến vùng (Zone Routing Protocol - ZRP). 2: Giao thức định tuyến vùng Trong luận văn tác giả sử dụng công cụ mô phỏng Veins [14] là một chƣơng trình khung (framework) cho mô phỏng truyền thông liên phƣơng tiện IVC mã nguồn mở.
Veins đƣợc tạo thành từ hai bộ mô phỏng riêng biệt, OMNeT++ cho mô phỏng mạng và SUMO (Simulation of Urban Mobility) cho mô phỏng giao thông đƣờng bộ. Các chuyển động của phƣơng tiện đƣợc thực hiện trên SUMO và đƣợc phản ánh thành chuyển động của các nút trong một mô phỏng OMNeT++. Sự tƣơng tác giữa các nút nhƣ gửi bản tin quảng bá, trao đổi bản tin điều khiển đƣợc thực hiện trên OMNeT++. 3 CÁ C V Ấ N ĐỀ T H Á C H T HỨ C Mạng xe cộ đề xuất một hệ thống định tuyến có khả năng mở rộng sử dụng chuyển tiếp địa lý và xác định vị trí phân tán có khả năng mở rộng để định tuyến các gói tin từ phƣơng tiện đến phƣơng tiện mà không làm tràn mạng.
Mạng công cộng dự đoán vị trí tƣơng lai của phƣơng tiện và ƣớc lƣợng thời gian cần cho việc truyền dữ liệu để quyết định xem một tuyến truyền dẫn có bị phá vỡ hay không trong suốt thời gian truyền dữ liệu. Hiện tại trong các giao thức định tuyến, các bản tin điều khiển 5 trong các giao thức chủ động và phản ứng không đƣợc sử dụng để dự đoán sự phá vỡ liên kết. 4 V Ấ N ĐỀ C Ầ N G IẢ I Q U Y Ế T Trong đề tài này đi vào xây dựng và nghiên cứu giao thức định tuyến theo vị trí địa lý cho các nút di động đó là giao thức GPSR. Mô hình giao thức định tuyến vòng theo vùng tối hỏng hƣớng di chuyển của phƣơng tiện, định tuyến thích nghi theo đối tƣợng di động giao thức GPSR dựa vào chuyển tiếp địa lý để hỗ trợ hành trình nút thu, phát di động nhƣ thế nào.
Đƣợc trình bày ở chƣơng 3 của đề tài. 5 M Ụ C T IÊU VÀ P H ƯƠ N G P HÁ P N G H IÊ N C ỨU 1.1 Mục Tiêu - Thiết kế các giải thuật định tuyến có khả năng mở rộng. - Các giải thuật đó phải đủ mạnh để thích ứng với sự gián đoạn thƣờng xuyên của các đƣờng truyền gây ra bởi sự di chuyển của các phƣơng tiện. - Mục tiêu cụ thể của đề tài là xây dựng mở rộng giao thức GPSR chạy trên chuẩn IEEE 802.11 cho các nút thu phát di động (thu, phát) đồng thời khắc phục các vùng tối hỏng, vật cản và sự phát vỡ liên kết trong mạng VANET.
Sử dung công cụ NS mô phỏng hai giao thức AODV và GPSR trên chuẩn IEEE 802.11 và giao thức AODV trên chuẩn 802. Trong đề tài nghiên cứu chỉ quan tâm đến thay đổi tốc độ nút và mật độ nút để đánh giá các tiêu chí nhƣ: Độ trễ, thông lƣợng và tỷ lệ nhận gói tin, sau đó đánh giá, so sánh kết quả và đƣa ra hƣớng đề xuất nghiên cứu trong tƣơng lai.2 Phƣơng pháp nghiên cứu mạng VANET Hình 1. 3: Ứng dụng mạng VANET Phân tích và tổng hợp lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn và các bài báo khoa học đƣợc công bố trên thƣ viện số IEEE Xplore, ACM về lĩnh vực viễn thông, khoa học máy tính.; các luận văn, công trinh nghiên cứu, tạp chí, sách khoa học chuyên ngành.