Nâng Cao Hiệu Năng Trong Mạng VANET Bằng Việc Cải Tiến Phương Pháp Điều Khiển Truy Cập

Nâng cao hiệu năng mạng VANET thông qua cải tiến phương pháp điều khiển truy cập, tối ưu hóa kết nối và giảm độ trễ trong truyền dữ liệu.

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Chiến
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Thanh Giang
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hệ thống thông tin
• Đề tài: Nâng Cao Hiệu Năng Trong Mạng VANET Bằng Việc Cải Tiến Phương Pháp Điều Khiển Truy Cập
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU. MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG VANET
• 1.1. Điều khiển tắc nghẽn trong mạng VANET
• 1.1.1. Nguyên lý điều khiển tắc nghẽn
• 1.1.2. Kiến trúc điều khiển tắc nghẽn xuyên lớp
• 1.1.3. Phương pháp phát hiện tắc nghẽn
• 1.1.4. Phương pháp điều khiển tắc nghẽn
• 1.2. Một số vấn đề điều khiển tắc nghẽn còn tồn tại đối với cơ chế truyền quảng bá trong mạng VANET
• 1.3. Hướng tiếp cận giải quyết vấn đề điều khiển tắc nghẽn
• 1.3.1. Hướng tiếp cận theo phương pháp dựa trên tốc độ truyền
• 1.3.2. Hướng tiếp cận theo phương pháp dựa trên công suất
• 1.3.3. Hướng tiếp cận theo phương pháp dựa trên CSMA/CA
• 1.3.4. Hướng tiếp cận theo phương pháp dựa trên độ ưu tiên và lập lịch
• 1.3.5. Hướng tiếp cận theo phương pháp lai
• 1.3.6. Một số phân tích và đánh giá
• 1.4. Hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu của luận án
• 1.5. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN CỬA SỔ TƯƠNG TRANH THÍCH ỨNG ĐỂ CẢI THIỆN TỶ LỆ NHẬN THÀNH CÔNG CÁC THÔNG BÁO AN TOÀN TRONG MẠNG VANET
• 2.1. Một số nghiên cứu liên quan
• 2.2. Giải pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng ACWC
• 2.2.1. Phương pháp giám sát lưu lượng quảng bá trong mạng
• 2.2.2. Cấu trúc dữ liệu ghi nhận lưu lượng quảng bá trong mạng
• 2.2.3. Phương pháp tính tỷ lệ nhận
• 2.2.4. Thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng
• 2.3. Mô phỏng và kết quả
• 2.3.1. Thiết lập mô hình mạng và tham số mô phỏng
• 2.3.2. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng
• 2.4. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỬA SỔ TƯƠNG TRANH TRƯỢT THÍCH ỨNG ĐỂ GIẢM THIỂU TỶ LỆ XUNG ĐỘT THÔNG BÁO AN TOÀN TRONG MẠNG VANET
• 3.1. Một số nghiên cứu liên quan
• 3.2. Giải pháp điều khiển cửa sổ tương tranh trượt thích ứng ASCWC
• 3.2.1. Cơ chế điều khiển truy cập ưu tiên
• 3.2.2. Thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh trượt thích ứng
• 3.3. Đánh giá kết quả bằng mô phỏng
• 3.3.1. Các tham số mô phỏng
• 3.3.2. Kết quả mô phỏng
• 3.3.3. Phân tích kết quả mô phỏng
• 3.4. Kết luận Chương 3
• CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mạng VANET Nền Tảng Truyền Thông Xe Cộ

Mạng VANET (Vehicular Ad hoc Network) trở thành nền tảng quan trọng cho hệ thống giao thông thông minh (ITS). Mục tiêu chính là cung cấp môi trường truyền thông tin cậy và an toàn, giảm thiểu tai nạn, tắc nghẽn và tiêu hao nhiên liệu. Ứng dụng VANET cho phép người dùng nhận thông báo khẩn cấp thông qua truyền thông giữa các xe và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. VANET, một dạng đặc biệt của mạng di động phi cấu trúc MANET, kế thừa nhiều đặc tính của MANET. Tuy nhiên, VANET có những đặc trưng riêng như tính di động cao, cấu trúc mạng thay đổi nhanh, mật độ phương tiện cao, mô hình di động hạn chế, năng lượng không giới hạn. Những đặc tính này tạo ra thách thức lớn trên các lớp mạng. Giao thức IEEE 802.11p được sử dụng rộng rãi trong mạng VANET để hỗ trợ các ứng dụng ITS.

1.1. Kiến trúc mạng VANET và các mô hình truyền thông

Kiến trúc mạng VANET bao gồm các phương tiện (Vehicle-to-Vehicle - V2V) và cơ sở hạ tầng (Vehicle-to-Infrastructure - V2I). Các mô hình truyền thông đa dạng, từ truyền đơn điểm đến truyền quảng bá, đáp ứng nhu cầu khác nhau của các ứng dụng. Các giao thức IEEE 802.11p và IEEE 1609 đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo kết nối và truyền dữ liệu hiệu quả trong môi trường VANET. Nghiên cứu của [37] và [39] cung cấp chi tiết về kiến trúc và mô hình truyền thông này.

1.2. Ứng dụng thực tế của mạng VANET trong giao thông thông minh

Ứng dụng VANET bao gồm cảnh báo tai nạn, điều khiển giao thông, cung cấp thông tin giải trí. Mục tiêu là giảm thiểu tai nạn giao thông, ùn tắc và tiêu hao nhiên liệu. An toàn giao thông VANET là ưu tiên hàng đầu. Ứng dụng cảnh báo va chạm giúp lái xe phản ứng kịp thời. Các ứng dụng điều khiển giao thông giúp tối ưu hóa luồng giao thông và giảm ùn tắc.

II. Thách Thức Hiệu Năng Mạng VANET và Bài Toán Điều Khiển Truy Cập

Hiệu năng mạng VANET chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như mật độ phương tiện, tốc độ di chuyển và nhiễu sóng. Điều khiển truy cập VANET đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề về hiệu năng. Giao thức điều khiển truy cập MAC (Medium Access Control) trong IEEE 802.11p cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS). Tắc nghẽn mạng là một thách thức lớn trong VANET. Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn VANET hiệu quả cần được phát triển để duy trì thông lượng mạng VANET cao và độ trễ thấp.

2.1. Các yếu tố ảnh hươ ng đến hiệu năng mạng VANET

Mật độ phương tiện cao dẫn đến xung đột trong truy cập kênh truyền. Tốc độ di chuyển nhanh gây ra thay đổi liên tục trong cấu trúc mạng. Nhiễu sóng từ các thiết bị khác làm giảm chất lượng tín hiệu. Độ trễ truyền dẫn VANET cần được giảm thiểu để đảm bảo tính kịp thời của các thông báo an toàn. Việc nghiên cứu các yếu tố này giúp tìm ra giải pháp tối ưu.

2.2. Vấn đề tắc nghẽn và các phương pháp phát hiện tắc nghẽn

Tắc nghẽn VANET xảy ra khi lưu lượng dữ liệu vượt quá khả năng xử lý của mạng. Các phương pháp phát hiện tắc nghẽn bao gồm giám sát lưu lượng, theo dõi hàng đợi và phân tích tỷ lệ mất gói. Phát hiện tắc nghẽn kịp thời giúp ngăn chặn sự suy giảm hiệu năng mạng VANET. Các nghiên cứu của [62] chỉ ra tầm quan trọng của việc phát hiện tắc nghẽn.

2.3. Tổng quan về các giao thức điều khiển truy cập MAC trong VANET

Giao thức IEEE 802.11p là tiêu chuẩn chính cho VANET. Tuy nhiên, IEEE 802.11p có những hạn chế trong môi trường mật độ cao. Các giao thức điều khiển truy cập MAC khác như TDMA, CDMA cũng được nghiên cứu. Cần có sự so sánh giữa các giao thức để lựa chọn giải pháp phù hợp nhất.

III. Cải Tiến Điều Khiển Truy Cập Giải Pháp Nâng Cao Hiệu Năng VANET

Cải tiến hiệu năng VANET thông qua phương pháp điều khiển truy cập hiệu quả là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các giải pháp bao gồm điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng, ưu tiên hóa lưu lượng và điều khiển công suất. Mục tiêu là giảm xung đột, tăng thông lượng mạng VANET và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các ứng dụng. An toàn giao thông VANET được ưu tiên hàng đầu trong quá trình cải tiến.

3.1. Phương pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng ACWC

ACWC (Adaptive Contention Window Control) điều chỉnh kích thước cửa sổ tương tranh dựa trên tình trạng mạng. ACWC giúp giảm xung đột trong môi trường mật độ cao. Thuật toán ACWC giám sát lưu lượng quảng bá và tính toán tỷ lệ nhận. Nghiên cứu của [7] cho thấy hiệu quả của ACWC trong việc cải thiện hiệu năng.

3.2. Thiết kế cửa sổ tương tranh trượt thích ứng ASCWC

ASCWC (Adaptive Sliding Contention Window Control) sử dụng cơ chế trượt để điều chỉnh cửa sổ tương tranh. ASCWC giảm thiểu tỷ lệ xung đột thông báo an toàn. Thuật toán ASCWC điều khiển truy cập ưu tiên và thích ứng với tải mạng. Kết quả mô phỏng cho thấy ASCWC cải thiện độ trễ và giảm xung đột.

3.3. Ưu tiên hóa lưu lượng để đảm bảo an toàn và QoS

Ưu tiên hóa lưu lượng giúp đảm bảo các thông báo an toàn được truyền tải kịp thời. Các ứng dụng an toàn có độ ưu tiên cao hơn các ứng dụng giải trí. Cơ chế QoS VANET đảm bảo độ tin cậy truyền dẫn VANET cho các dịch vụ quan trọng. Phương pháp này đảm bảo các thông tin quan trọng đến được đích nhanh chóng, nâng cao an toàn cho người sử dụng.

IV. Ứng Dụng Mô Phỏng Đánh Giá Giải Pháp Cải Tiến Hiệu Năng Mạng VANET

Để đánh giá hiệu quả của các giải pháp cải tiến hiệu năng VANET, cần thực hiện mô phỏng VANET trong các môi trường khác nhau. Các công cụ mô phỏng như NS2, SUMO và MOVE được sử dụng rộng rãi. Kết quả mô phỏng VANET cho thấy các giải pháp điều khiển truy cập thích ứng giúp cải thiện thông lượng mạng VANET, giảm độ trễ truyền dẫn VANET và tăng độ tin cậy truyền dẫn VANET.

4.1. Các công cụ mô phỏng mạng VANET phổ biến NS2 SUMO MOVE

NS2 (Network Simulator 2) là một công cụ mô phỏng mạng mạnh mẽ. SUMO (Simulation of Urban Mobility) là một công cụ mô phỏng giao thông. MOVE là một công cụ tạo mô hình di động cho VANET. Sự kết hợp của NS2, SUMO và MOVE cho phép mô phỏng VANET một cách chân thực. Các tham số mô phỏng cần được thiết lập phù hợp để đảm bảo tính chính xác.

4.2. Đánh giá hiệu năng thông qua mô phỏng trong môi trường khác nhau

Mô phỏng được thực hiện trong các môi trường đường cao tốc đô thị và nông thôn. Các tham số như mật độ phương tiện, tốc độ di chuyển và tỷ lệ xung đột được đo lường. Kết quả mô phỏng so sánh hiệu năng của các giải pháp điều khiển truy cập VANET khác nhau. Phân tích kết quả mô phỏng giúp xác định giải pháp tốt nhất cho từng môi trường.

4.3. Kết quả mô phỏng và phân tích chi tiết về độ trễ và xung đột

Kết quả mô phỏng cho thấy ASCWC giảm tỷ lệ xung đột so với các phương pháp khác. ASCWC cũng cải thiện độ trễ truy cập cho các luồng dữ liệu ưu tiên. Phân tích chi tiết về độ trễ và xung đột giúp đánh giá hiệu quả của ASCWC. Các kết quả được trình bày trong [Hình 4.3] đến [Hình 4.16] minh họa rõ ràng hiệu quả của ASCWC.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Nâng Tầm Hiệu Năng Mạng VANET

Luận án tập trung vào nâng cao hiệu năng mạng VANET thông qua cải tiến phương pháp điều khiển truy cập. Các giải pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng như ACWC và ASCWC đã được đề xuất và đánh giá. Kết quả nghiên cứu cho thấy các giải pháp này có tiềm năng cải thiện hiệu năng mạng VANET một cách đáng kể. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm nghiên cứu các giải pháp điều khiển tắc nghẽn VANET dựa trên trí tuệ nhân tạo và học máy.

5.1. Tóm tắt các đóng góp chính của luận án

Luận án đã đề xuất các giải pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng cho VANET. Luận án đã đánh giá hiệu quả của các giải pháp thông qua mô phỏng VANET chi tiết. Luận án đã đóng góp vào việc cải thiện hiệu năng mạng VANET và an toàn giao thông VANET. Các kết quả này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển hệ thống giao thông thông minh.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực mạng VANET

Nghiên cứu các giải pháp điều khiển tắc nghẽn VANET dựa trên trí tuệ nhân tạo. Nghiên cứu các giao thức định tuyến VANET hiệu quả. Nghiên cứu các vấn đề về bảo mật VANET và tính riêng tư VANET. Phát triển các ứng dụng VANET mới và sáng tạo.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Mạng phương tiện phi cấu trúc (Vehicular Ad hoc Network - VANET) là một thành phần then chốt trong Hệ thống giao thông thông minh (Intelligent Transportation Systems - ITS), cho phép thiết lập kết nối không dây giữa các phương tiện với nhau (Vehicle-to-Vehicle - V2V) và giữa phương tiện với cơ sở hạ tầng bên đường (Vehicle-to-Infrastructure - V2I). Mục tiêu của mạng VANET là hỗ trợ các ứng dụng an toàn giao thông nhằm cảnh báo sớm rủi ro, giảm thiểu tai nạn, tối ưu hóa lưu lượng di chuyển và giảm tiêu hao nhiên liệu. Mặc dù kế thừa nền tảng từ mạng di động phi cấu trúc (Mobile Ad hoc Network - MANET), mạng VANET mang các đặc thù kỹ thuật riêng biệt: các nút mạng có vận tốc di chuyển rất cao (từ 0 đến 140 km/h), cấu trúc mạng biến động nhanh và liên tục, thời gian duy trì liên kết ngắn, mật độ phương tiện phân bố không đồng đều và mô hình di chuyển bị giới hạn theo các tuyến đường (đường cao tốc, đô thị, nông thôn).

Trong kiến trúc giao thức WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments), chuẩn IEEE 802.11p quy định lớp vật lý (PHY) và phân lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC). Tại phân lớp MAC, cơ chế truy cập kênh phân tán nâng cao (Enhanced Distributed Channel Access - EDCA) được sử dụng để phân loại và ưu tiên các luồng dữ liệu. Tuy nhiên, khi mật độ phương tiện trên đường tăng cao, các luồng thông báo an toàn được phát quảng bá định kỳ hoặc theo sự kiện sẽ làm gia tăng đáng kể mức độ tranh chấp tài nguyên và xung đột kênh truyền. Tình trạng tắc nghẽn mạng xuất hiện dẫn đến suy giảm tỷ lệ nhận gói tin và gia tăng độ trễ truyền thông, ảnh hưởng trực tiếp đến tính kịp thời của các thông báo an toàn khẩn cấp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:

1. Cơ chế điều khiển đa truy nhập cảm nhận sóng mang có tránh xung đột (CSMA/CA) kết hợp thủ tục quay lui hàm mũ nhị phân (Binary Exponential Backoff - BEB) mặc định trong chuẩn IEEE 802.11p tự động đặt lại kích thước cửa sổ tương tranh (Contention Window - CW) về giá trị nhỏ nhất ($CW_{min}$) sau mỗi lần truyền thành công. Cách tiếp cận này không phản ánh đúng mật độ phương tiện xung quanh và mức độ tắc nghẽn thực tế của môi trường.
2. Các phương pháp điều khiển tắc nghẽn hiện hữu thường dựa trên việc bổ sung thêm các byte thông tin điều khiển vào tiêu đề gói tin hoặc phát tán các gói tin báo hiệu bổ sung, điều này làm tăng tải kênh truyền và dễ gây ra hiện tượng bão truyền quảng bá (broadcast storm).
3. Các cơ chế dựa trên ngưỡng cố định gặp khó khăn trong việc thích ứng linh hoạt với sự biến động liên tục của cấu trúc mạng giao thông.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án là nghiên cứu và đề xuất các giải pháp cải tiến phương pháp điều khiển truy cập tại phân lớp MAC nhằm nâng cao hiệu năng trong mạng VANET, tập trung vào việc điều chỉnh thích ứng kích thước cửa sổ tương tranh ($CW$) và tối ưu hóa các tham số chất lượng dịch vụ (QoS) cho cơ chế truyền quảng bá, đảm bảo tăng tỷ lệ nhận, duy trì phân tách ưu tiên và giảm tỷ lệ xung đột cho các lưu lượng thông báo an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

1. Đề xuất phương pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng nhằm cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn trong mạng VANET.
2. Đề xuất phương pháp điều khiển cửa sổ tương tranh trượt thích ứng để nâng cao duy trì phân tách riêng biệt giữa các luồng dữ liệu ưu tiên khác nhau và giảm thiểu tỷ lệ xung đột thông báo an toàn trong mạng VANET.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Tầng điều khiển truy cập môi trường truyền (MAC) trong chuẩn IEEE 802.11p; Cơ chế điều khiển truy cập kênh truyền phân tán nâng cao (EDCA) theo chuẩn IEEE 802.11e/p.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào giải pháp điều khiển thích ứng kích thước cửa sổ tương tranh trong cơ chế EDCA và tối ưu hóa các tham số QoS để truyền quảng bá các luồng lưu lượng thông báo an toàn trên kênh điều khiển (Control Channel - CCH) thuộc dải tần DSRC/WAVE.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và hệ thống hóa các hướng tiếp cận điều khiển tắc nghẽn tại phân lớp MAC trong mạng VANET thành 5 nhóm phương pháp chính:

Nhóm phương pháp	Hướng tiếp cận kỹ thuật	Các công trình / Giao thức tiêu biểu	Đánh giá và hạn chế tồn tại
Dựa trên tốc độ truyền (Rate-based)	Điều chỉnh tần suất phát và tốc độ sinh thông báo của các nút mạng dựa trên trạng thái kênh truyền.	AMRC (Adaptive Message Rate Control), PULSAR (Periodically Updated Load Sensitive Adaptive Rate), ODRC (On-Demand Rate Control).	Làm giảm độ tươi mới của thông tin cảnh báo nếu hạ tần suất phát quá mức trong các tình huống khẩn cấp.
Dựa trên công suất truyền (Power-based)	Thay đổi công suất phát để điều chỉnh phạm vi phủ sóng vô tuyến, giảm phạm vi gây nhiễu cho các nút lân cận.	FPAV (Fair Power Adjustment for Vehicular environment), DFPAV (Distributed Fair Power Adjustments for Vehicular environments).	Làm thu hẹp phạm vi truyền thông tin an toàn, có thể khiến các phương tiện ở xa không nhận được cảnh báo kịp thời.
Dựa trên CSMA/CA và kích thước CW	Điều chỉnh kích thước cửa sổ tương tranh và các tham số khoảng thời gian liên khung (AIFS) theo trạng thái tải kênh.	DBM-ACW (Density Based Method for Adjusting the CW size), SR-CSMA (Safety Range-CSMA), AOS (Adaptable Offset Slot).	Thủ tục BEB gốc không tối ưu cho mạng mật độ cao; một số giải pháp bổ sung thông tin gây tăng phụ tải đường truyền.
Dựa trên độ ưu tiên và lập lịch	Sắp xếp thứ tự truyền gói tin trong hàng đợi dựa trên mức độ khẩn cấp, thời hạn tồn tại và khoảng cách vị trí.	CABS (Context Aware Beacon Scheduling), FDF (First Deadline First), LTSF, LWT, MQIF, MRF, SDF.	Chỉ giải quyết bài toán cạnh tranh nội bộ tại từng nút, chưa tối ưu triệt để xung đột trên môi trường truyền không dây chung.
Phương pháp tiếp cận lai (Hybrid)	Kết hợp đồng thời hai hoặc nhiều kỹ thuật (công suất, tốc độ, cửa sổ tương tranh, lập lịch hàng đợi).	ATB (Adaptive Traffic Beacon), DITRAC (Dynamic Integrated TRAnsmission Control), UBPFCC, AVOCA, VCWC.	Độ phức tạp tính toán cao, đòi hỏi cấu hình nhiều tham số ngưỡng phụ thuộc vào từng kịch bản cụ thể.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn giải quyết là xây dựng cơ chế điều khiển tương tranh tại lớp MAC có khả năng thích ứng cục bộ, dựa trên việc giám sát và đánh giá trực tiếp tỷ lệ các khung tin nhận thành công gần nhất từ các nút lân cận. Giải pháp này không chèn thêm các byte dữ liệu phụ trợ vào tiêu đề khung tin MAC và không tạo ra các gói tin báo hiệu bổ sung, từ đó tránh được hiện tượng bão truyền quảng bá nhưng vẫn đảm bảo phân tách chính xác các mức độ ưu tiên của dữ liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các nền tảng lý thuyết và tiêu chuẩn kỹ thuật sau:

• Khung kiến trúc WAVE: Bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11p (lớp PHY và Lower MAC) kết hợp với bộ tiêu chuẩn IEEE 1609 (IEEE 1609.1 về quản lý ứng dụng, IEEE 1609.2 về bảo mật, IEEE 1609.3 về dịch vụ mạng và IEEE 1609.4 về điều phối hoạt động đa kênh).
• Lớp vật lý IEEE 802.11p: Hoạt động trong dải tần DSRC 5,850 - 5,925 GHz, được chia thành 8 kênh (1 kênh điều khiển CCH, 6 kênh dịch vụ SCH và 1 kênh dự phòng). Sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang phân chia theo tần số trực giao (OFDM) với 52 sóng mang phụ (48 dữ liệu, 4 pilot), hỗ trợ các sơ đồ điều chế BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM và mã hóa sửa lỗi chuyển tiếp (FEC) với tốc độ dữ liệu từ 3 đến 27 Mbps trên kênh băng thông 10 MHz.
• Cơ chế EDCA và phân loại ưu tiên: Quy định 4 Danh mục truy cập (Access Category - AC): Background (AC_BK), Best Effort (AC_BE), Video (AC_VI) và Voice (AC_VO). Khoảng cách giữa các khung tin dữ liệu trọng tài $AIFS[AC[i]]$ được tính theo công thức: $$AIFS[AC[i]] = aSIFSTime + AIFSN[AC[i]] \times aSlotTime$$
• Cơ chế cảm nhận sóng mang CSMA/CA: Kết hợp đánh giá kênh vật lý (Physical Carrier Sense thông qua các chế độ Clear Channel Assessment - CCA 1, CCA 2, CCA 3) và cảm nhận sóng mang ảo (Virtual Carrier Sense thông qua Network Allocation Vector - NAV).
• Cơ sở lý thuyết truyền dẫn: Lý thuyết dung lượng kênh truyền của Shannon trong môi trường nhiễu nhiệt: $$C = B \log_2(1 + SNR)$$ Công thức tính mức suy giảm tín hiệu trên đường truyền ($AT$): $$AT = 10 \log_{10}\left(\frac{P_1}{P_2}\right)$$
• Phương pháp nghiên cứu: Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết phân tích giao thức với phương pháp mô phỏng mạng. Chuỗi công cụ thực nghiệm bao gồm:
  1. SUMO (Simulation of Urban Mobility): Mô phỏng lưu lượng và hành vi di chuyển vi mô của các phương tiện giao thông.
  2. MOVE (Mobility Model Generator for Vehicular Networks): Trích xuất và chuyển đổi mô hình di động từ SUMO sang kịch bản chuyển động của mạng Ad hoc.
  3. Network Simulator 2 (NS-2 phiên bản 2.35): Thực thi mô phỏng chi tiết các giao thức truyền thông vô tuyến, phân lớp MAC IEEE 802.11p, cơ chế đa kênh IEEE 1609.4 và các thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh được đề xuất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về mạng VANET

Chương 1 hệ thống hóa kiến trúc, đặc điểm và các giao thức nền tảng của mạng VANET. Kiến trúc hệ thống VANET gồm 3 miền: Miền trong phương tiện (trang bị thiết bị trên xe - On-Board Unit - OBU), Miền Ad hoc (kết nối trực tiếp giữa các OBU và thiết bị bên đường - Road Side Unit - RSU) và Miền cơ sở hạ tầng (RSU kết nối Internet, điểm phát sóng HotSpot, mạng di động GSM/GPRS/UMTS/4G/5G). Các mô hình truyền thông gồm: IVC (SIVC đơn chặng và MIVC đa chặng), RVC (SRVC và URVC) và HVC kết hợp chuyển tiếp.

Về phân loại ứng dụng, chương 1 chia thành 2 nhóm: Ứng dụng an toàn (sử dụng thông báo cảnh báo định kỳ PSA như hỗ trợ chuyển làn, cảnh báo va chạm giao lộ; và thông báo khẩn cấp theo sự kiện ESA như phanh khẩn cấp, cảm biến sự cố với yêu cầu trễ từ 20 ms đến 100 ms) và Ứng dụng dịch vụ (thu phí tự động, tiện ích chỉ đường, thông tin giải trí).

Chương 1 làm rõ sự chuyển đổi từ chuẩn IEEE 802.11a sang IEEE 802.11p tại lớp PHY: băng thông kênh giảm từ 20 MHz xuống 10 MHz; khoảng thời gian tín hiệu OFDM tăng từ 4,0 µs lên 8,0 µs; khoảng thời gian bảo vệ tăng từ 0,8 µs lên 1,6 µs; chu kỳ FFT tăng từ 3,2 µs lên 6,4 µs và tốc độ dữ liệu trải từ 3 đến 27 Mbps. Tại phân lớp MAC, chương 1 phân tích cơ chế phân luồng của EDCA và các thay đổi cấu trúc khung tin MAC: trường Frame Control (bổ sung kiểu khung Timing Advertisement trong trường Subtype, thay đổi giá trị trường To DS và From DS), trường Address (bổ sung thuộc tính dot11OCBEnabled cho phép các trạm không thuộc BSS truyền khung tin) và trường QoS Control (quy định trường con TID và Queue Size). Về cơ chế đa kênh IEEE 1609.4, thời gian kênh được chia thành các chu kỳ đồng bộ 100 ms, bao gồm 50 ms cho kênh CCH và 50 ms cho kênh SCH, mỗi khoảng thời gian bắt đầu bằng 4 ms khoảng bảo vệ để chuyển đổi kênh.

Tham số lớp vật lý (PHY)	Chuẩn IEEE 802.11a	Chuẩn IEEE 802.11p	Mức độ thay đổi
Băng thông kênh	20 MHz	10 MHz	Giảm một nửa
Tốc độ dữ liệu (Mbps)	6, 9, 12, 18, 24, 36, 48, 54	3, 4.5, 6, 9, 12, 18, 24, 27	Giảm một nửa
Chế độ điều chế	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	BPSK, QPSK, 16QAM, 64QAM	Không đổi
Số lượng sóng mang phụ	52	52	Không đổi
Khoảng thời gian tín hiệu OFDM	4,0 µs	8,0 µs	Tăng gấp đôi
Thời gian bảo vệ (Guard Interval)	0,8 µs	1,6 µs	Tăng gấp đôi
Chu kỳ biến đổi FFT	3,2 µs	6,4 µs	Tăng gấp đôi
Khoảng thời gian ban đầu (Preamble)	16 µs	32 µs	Tăng gấp đôi

Chương 2: Phân tích, đánh giá phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng VANET

Chương 2 phân tích cơ chế phát sinh tắc nghẽn do tranh chấp tài nguyên vô tuyến khi mật độ phương tiện gia tăng. Chương làm rõ kiến trúc điều khiển tắc nghẽn xuyên lớp giữa các tầng PHY, MAC, Network và Application thông qua việc thu thập các chỉ số trạng thái kênh như tỷ lệ kênh bận (Channel Busy Ratio - CBR), kết quả đánh giá kênh rỗi (CCA) và trạng thái hàng đợi.

Chương 2 chỉ ra các hạn chế cố hữu của cơ chế truyền quảng bá trong VANET: do không sử dụng cơ chế bắt tay Request-to-Send / Clear-to-Send (RTS/CTS) và không có gói tin xác nhận nhận thành công (ACK), bên phát không nhận biết được tình trạng mất gói hay xung đột trên kênh truyền. Việc truyền lại trong điều kiện mạng di động cao gây lãng phí băng thông và làm trầm trọng thêm mức độ tắc nghẽn. Chương 2 phân tích và so sánh chi tiết ưu nhược điểm của các giải pháp điều khiển dựa trên tốc độ, công suất, kích thước CW, lập lịch và phương pháp lai; từ đó định hướng nghiên cứu của luận án là cải tiến phương pháp điều khiển truy cập môi trường thông qua việc điều chỉnh động kích thước cửa sổ tương tranh thích ứng tại phân lớp MAC.

Chương 3: Điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng để cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn trong mạng VANET

Chương 3 đề xuất giải pháp Điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng (Adaptive Contention Window Control - ACWC). Nguyên lý cốt lõi của ACWC là cho phép từng phương tiện tự đánh giá điều kiện mạng cục bộ bằng cách giám sát các khung tin quảng bá nhận được từ các nút lân cận trong từng khoảng thời gian xác định.

Thuật toán trích xuất trường điều khiển trình tự (Sequence Control) và số trình tự (Sequence Number - SN) trong tiêu đề các khung tin nhận được để ghi nhận vào cấu trúc bảng dữ liệu cục bộ. Dựa trên số lượng gói tin thực tế nhận được so với tổng số gói tin được phát bởi các nút lân cận, phương tiện tính toán tỷ lệ nhận (Received Rate - RR). Khi tỷ lệ nhận suy giảm (dấu hiệu của xung đột và tắc nghẽn), kích thước cửa sổ tương tranh $CW$ của các hạng mục dữ liệu được điều chỉnh tăng thích ứng để giảm xác suất chọn trùng khe thời gian backoff; ngược lại, khi kênh truyền rỗi và tỷ lệ nhận cao, $CW$ được thu hẹp để giảm thời gian chờ truy cập.

Hiệu năng của giải pháp ACWC được đánh giá thông qua mô phỏng trên kịch bản đường cao tốc bằng công cụ NS-2.35 kết hợp SUMO và MOVE. Kết quả mô phỏng cho thấy giải pháp ACWC cải thiện đáng kể tỷ lệ nhận thành công đối với toàn bộ lưu lượng nói chung cũng như các luồng dữ liệu ưu tiên cao (Priority 1) và ưu tiên thấp (Priority 3) so với cơ chế EDCA mặc định trong chuẩn IEEE 802.11p, đồng thời duy trì độ trễ truy cập ở mức cho phép đối với các ứng dụng an toàn.

Chương 4: Thiết kế cửa sổ tương tranh trượt thích ứng để giảm thiểu tỷ lệ xung đột thông báo an toàn trong mạng VANET

Chương 4 đề xuất giải pháp Cửa sổ tương tranh trượt thích ứng (Adaptive Sliding Contention Window Control - ASCWC) nhằm nâng cao hiệu quả phân tách luồng dữ liệu và giảm thiểu tỷ lệ xung đột kênh truyền. Giải pháp thiết kế một cơ chế trượt cửa sổ tương tranh với hệ số trượt (Sliding Factor - SF) thay đổi động theo từng mức ưu tiên của luồng dữ liệu thông báo an toàn.

Trong cơ chế ASCWC, mỗi loại lưu lượng chọn bộ đếm thời gian quay lui trong khoảng $[0, CW[AC[i]]]$. Cửa sổ tương tranh được thiết lập có thể trượt và có sự gối đầu (trùng lặp một phần phạm vi) có kiểm soát giữa các cấp ưu tiên khác nhau tùy thuộc vào điều kiện tải của mạng, giúp tận dụng tối đa dung lượng kênh truyền. Khi lưu lượng mạng tăng, thuật toán tự động dịch chuyển cửa sổ tương tranh của các luồng ưu tiên thấp về phía sau, dành ưu tiên truy cập các khe thời gian sớm cho các luồng thông báo an toàn khẩn cấp.

Luận án thực nghiệm mô phỏng giải pháp ASCWC trên hai mô hình giao thông: đường cao tốc đô thị (urban highway) và đường cao tốc nông thôn (rural highway). Các chỉ số đánh giá bao gồm: tỷ lệ xung đột (Collision Rate) và độ trễ truy cập (Access Delay) phân tách theo 3 cấp độ ưu tiên (Priority 1, Priority 2, Priority 3). Kết quả mô phỏng khẳng định ASCWC làm giảm rõ rệt tỷ lệ xung đột của toàn bộ lưu lượng cũng như các luồng dữ liệu riêng biệt trong điều kiện mật độ phương tiện cao ở cả hai kịch bản mô phỏng.

Kết quả và những đóng góp mới

Các kết quả và đóng góp mới của luận án bao gồm:

1. Đề xuất giải pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng (ACWC) tại phân lớp MAC chuẩn IEEE 802.11p. Phương pháp cho phép mỗi phương tiện tự động nhận biết trạng thái tắc nghẽn cục bộ thông qua phân tích số trình tự của các khung tin nhận được gần nhất và tính toán tỷ lệ nhận thực tế, từ đó điều chỉnh kích thước $CW$ linh hoạt mà không cần chèn thêm byte dữ liệu phụ trợ hay gửi thêm gói tin báo hiệu, nâng cao tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn.
2. Đề xuất giải pháp cửa sổ tương tranh trượt thích ứng (ASCWC) sử dụng hệ số trượt động ($SF$) cho từng danh mục truy cập. Cơ chế này duy trì sự phân tách giữa các luồng dữ liệu có độ ưu tiên khác nhau, tối ưu hóa việc phân bổ khe thời gian backoff, từ đó làm giảm thiểu tỷ lệ xung đột gói tin trên kênh truyền và kiểm soát độ trễ truy cập trong điều kiện mật độ giao thông cao.
3. Xây dựng quy trình tích hợp mô phỏng hoàn chỉnh kết hợp giữa MOVE, SUMO và NS-2.35 để thiết lập các kịch bản mạng VANET trên đường cao tốc, đường cao tốc đô thị và nông thôn với các tham số sát thực tế, chứng minh tính hiệu quả của các giải pháp cải tiến so với chuẩn IEEE 802.11p mặc định.

Về mặt ứng dụng, luận án đề xuất tích hợp các thuật toán điều khiển truy cập thích ứng ACWC và ASCWC vào phần mềm điều khiển phân lớp MAC trên các thiết bị OBU và RSU, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ truyền thông trong các hệ thống giao thông thông minh.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa phân lớp MAC trên kênh điều khiển (CCH) đối với lưu lượng phát quảng bá, chưa tích hợp điều khiển đồng thời công suất phát ở lớp PHY và các giao thức định tuyến đa chặng ở lớp mạng.
• Toàn bộ các kết quả đánh giá hiệu năng được thực hiện trên môi trường mô phỏng (NS-2.35, SUMO, MOVE), chưa có điều kiện thử nghiệm thực tế trên phần cứng OBU/RSU chuyên dụng trong môi trường giao thông thực.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu cơ chế điều khiển tắc nghẽn xuyên lớp toàn diện, kết hợp điều chỉnh cửa sổ tương tranh ở lớp MAC với điều khiển công suất phát và tốc độ truyền dữ liệu thích ứng ở lớp PHY.
• Mở rộng đánh giá thuật toán trong các mô hình giao thông đô thị phức tạp với mạng lưới ngã tư dày đặc, có nhiều vật cản che khuất sóng vô tuyến và tiến tới thử nghiệm trên các nền tảng thiết bị thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Hệ thống thông tin, Mạng máy tính và Truyền thông dữ liệu, Kỹ thuật Viễn thông: Tham khảo phương pháp mô hình hóa giao thức phân lớp MAC IEEE 802.11p/EDCA, phương pháp luận nghiên cứu và quy trình ghép nối chuỗi công cụ mô phỏng MOVE - SUMO - NS-2.35.
• Các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển phần mềm nhúng, thiết bị ITS (OBU, RSU): Tham khảo các thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng ACWC và ASCWC để áp dụng vào các giải pháp truyền thông V2V/V2I không tiêu tốn thêm băng thông điều khiển.
• Các nội dung đáng tham khảo chính: Bảng tổng hợp so sánh các phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong Chương 2; Thuật toán tính toán tỷ lệ nhận và cấu trúc bảng giám sát lưu lượng trong Chương 3; Cơ chế tính toán hệ số trượt và phân bổ vùng backoff ưu tiên trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Mạng VANET khác biệt so với mạng Ad hoc truyền thống (MANET) ở những đặc tính kỹ thuật nào?
Mạng VANET có các đặc tính riêng biệt: tốc độ di chuyển của nút mạng rất cao (có thể đạt từ 120 đến 140 km/h trên đường cao tốc), cấu trúc mạng thay đổi thường xuyên khiến thời gian tồn tại liên kết rất ngắn, mô hình di chuyển bị ràng buộc theo các tuyến đường cố định (thay vì di chuyển tự do trong không gian như MANET) và các nút mạng không bị hạn chế về dung lượng nguồn năng lượng do sử dụng nguồn ắc-quy trên phương tiện.

2. Tại sao cơ chế truyền quảng bá trong chuẩn IEEE 802.11p EDCA dễ dẫn đến xung đột và suy giảm hiệu năng khi mật độ phương tiện tăng cao?
Trong chuẩn IEEE 802.11p EDCA, truyền quảng bá không sử dụng cơ chế bắt tay RTS/CTS và không có gói tin xác nhận ACK từ bên nhận. Do đó, nút phát không thể phát hiện mất gói tin để điều chỉnh kích thước cửa sổ tương tranh ($CW$) theo thủ tục BEB mà luôn quay về mức $CW_{min}$. Khi mật độ phương tiện tăng cao, nhiều nút cùng chọn các giá trị backoff nhỏ trong khoảng $CW_{min}$, dẫn đến xác suất chọn trùng khe thời gian truyền rất lớn, gây ra xung đột nghiêm trọng và làm mất các gói tin thông báo an toàn.

3. Cơ chế ACWC phát hiện tình trạng tắc nghẽn mạng bằng phương pháp nào mà không cần gửi thêm thông điệp điều khiển?
ACWC thực hiện giám sát thụ động các khung tin quảng bá nhận được từ các nút lân cận. Bằng cách đọc trường điều khiển trình tự (Sequence Control) và số trình tự (Sequence Number) trong tiêu đề khung tin MAC, phương tiện thống kê được số gói tin thực tế nhận được so với tổng số gói tin đã được phát bởi các trạm xung quanh để tính toán tỷ lệ nhận (Received Rate - RR). Sự suy giảm của tỷ lệ nhận RR phản ánh mức độ xung đột và tắc nghẽn của kênh truyền cục bộ, làm căn cứ để điều chỉnh kích thước $CW$.

4. Kỹ thuật cửa sổ tương tranh trượt trong giải pháp ASCWC hoạt động như thế nào để giảm xung đột giữa các luồng ưu tiên?
ASCWC thiết lập hệ số trượt động (Sliding Factor - SF) cho từng danh mục truy cập dữ liệu. Thay vì cố định vùng chọn giá trị backoff, thuật toán cho phép dịch chuyển (trượt) cửa sổ tương tranh của từng luồng dữ liệu và cho phép một mức độ gối đầu (trùng lặp) có kiểm soát giữa các cấp ưu tiên tùy theo tải mạng. Khi tải kênh cao, cửa sổ của các luồng ưu tiên thấp bị trượt về các khe thời gian muộn hơn, giải phóng các khe thời gian sớm cho luồng ưu tiên cao (Priority 1), từ đó giảm thiểu xác suất xung đột kênh truyền.

5. Điểm khác biệt chính giữa tham số lớp vật lý (PHY) của chuẩn IEEE 802.11p so với chuẩn IEEE 802.11a là gì?
Chuẩn IEEE 802.11p thu hẹp độ rộng băng thông kênh xuống còn 10 MHz (thay vì 20 MHz trong 802.11a). Việc giảm một nửa băng thông khiến tất cả các tham số miền thời gian tăng gấp đôi: thời gian ký hiệu OFDM tăng từ 4,0 µs lên 8,0 µs, thời gian bảo vệ tăng từ 0,8 µs lên 1,6 µs và chu kỳ FFT tăng từ 3,2 µs lên 6,4 µs. Tốc độ truyền dữ liệu hỗ trợ trải từ 3 đến 27 Mbps (so với 6 đến 54 Mbps trong 802.11a). Sự thay đổi này nhằm chống lại hiện tượng trải trễ đa đường (multipath fading) và dịch tần Doppler do các phương tiện di chuyển ở tốc độ cao.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Hoàng Chiến đã tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng mạng VANET thông qua việc cải tiến phương pháp điều khiển truy cập môi trường tại phân lớp MAC chuẩn IEEE 802.11p. Hai giải pháp kỹ thuật chính được đề xuất gồm thuật toán điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng (ACWC) và cơ chế cửa sổ tương tranh trượt thích ứng (ASCWC) đã giải quyết hiệu quả vấn đề xung đột và tắc nghẽn kênh truyền mà không phát sinh phụ tải báo hiệu mạng. Kết quả đánh giá bằng chuỗi công cụ mô phỏng kết hợp NS-2.35, SUMO và MOVE trên nhiều kịch bản đường cao tốc đã chứng minh tính hiệu quả của các đề xuất trong việc nâng cao tỷ lệ nhận thành công, giảm thiểu xung đột và bảo đảm chất lượng dịch vụ cho các luồng thông báo an toàn giao thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Nghiên cứu tổng quan về mạng VANET Nội dung chương này hệ thống hóa lại những định nghĩa, khái niệm cơ bản mạng không dây Ad hoc và mạng VANET. Trong đó tập trung phân tích các thành phần giao thức tại lớp PHY và lớp MAC, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng trong mạng và phương pháp đánh giá hiệu năng trong mạng VANET. 6 Chương 2: Phân tích, đánh giá phương pháp điều khiển tắc nghẽn trong mạng VANET Nội dung chương thực hiện phân tích ảnh hưởng của tắc nghẽn đến hiệu năng mạng, kiến trúc điều khiển tắc nghẽn xuyên lớp, phân loại các phương pháp điều khiển tắc nghẽn và xác định các vấn đề điều khiển tắc nghẽn còn tồn tại trong mạng VANET. Phân tích và đánh giá các hướng tiếp cận khác nhau giải quyết vấn đề điều khiển tắc nghẽn đã đạt được trong các nghiên cứu liên quan trong nước và ngoài nước.

Đây là cơ sở để luận án xác định hướng tiếp cận và định hướng nghiên cứu từ đó đưa ra các đề xuất mới với mục tiêu nâng cao hiệu năng trong mạng VANET. Chương 3: Điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng nhằm cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn trong mạng VANET Nội dung của chương trình bày cơ chế phối hợp truyền quảng bá mới với mục đích là điều khiển thích ứng kích thước CW giúp cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn. Sử dụng kết hợp các công cụ mô phỏng trong VANET để xây dựng kịch bản mô phỏng trong các điều kiện khác nhau của mạng nhằm đánh giá tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn so với cơ chế mặc định trong tiêu chuẩn 802. Kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng cơ chế được đề xuất cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn tốt hơn so với cơ chế gốc trong tiêu chuẩn 802.

Chương 4: Thiết kế cửa sổ tương tranh trượt thích ứng để giảm thiểu tỷ lệ xung đột thông báo an toàn trong mạng VANET Nội dung chương tập trung vào đề xuất cơ chế phối hợp mới điều khiển thích ứng kích thước CW để truyền quảng bá nhằm làm giảm thiểu tỷ lệ xung đột thông báo an toàn với các mức độ ưu tiên khác nhau. Trong cơ chế được đề xuất, mỗi phương tiện trong VANET có thể tự động điều chỉnh CW dựa trên nhận biết điều kiện hiện tại của mạng thông qua việc phân tích tỷ lệ các khung tin nhận thành công được gửi gần đây. Thuật toán điều khiển kích thước CW bằng cách trượt cửa sổ với hệ số thay đổi động theo từng loại lưu lượng thông báo an toàn. Mỗi lưu lượng dữ liệu chọn bộ đếm thời gian backoff thay đổi động trong phạm vi [0, CW[AC[i]]], có thể trùng lặp phạm vi CW giữa các lưu lượng dữ liệu để cải thiện hiệu quả băng thông tùy thuộc vào các điều kiện khác nhau của mạng.

Kết quả mô phỏng đã chứng minh rằng cơ chế được đề xuất làm giảm đáng kể tỷ lệ xung đột cho cả hai lưu lượng thông báo an toàn có độ ưu tiên cao 7 và độ ưu tiên thấp trong điều kiện mật độ phương tiện cao. Đóng góp của luận án Thông qua tổng hợp, phân tích ưu và nhược điểm của các nghiên cứu trước đây, luận án đề xuất một số giải pháp cải tiến mới để kiểm soát tắc nghẽn tại lớp MAC bằng điều khiển tương tranh trong mạng thông qua việc điều chỉnh thích ứng kích thước cửa sổ tương tranh và tối ưu hóa các tham số QoS để truyền quảng bá hiệu quả. Các giải pháp đề xuất ít bổ sung tham số phức tạp và không sử dụng thêm tài nguyên mạng. Mục tiêu chính của luận án được thực hiện thông qua hai mục tiêu cụ thể là cải thiện tỷ lệ nhận, duy trì phân biệt theo độ ưu tiên và giảm thiểu tỷ lệ xung đột của các lưu lượng thông báo an toàn.

Các đóng góp cụ thể như sau: 1. Luận án đã đề xuất phương pháp điều khiển cửa sổ tương tranh thích ứng nhằm cải thiện tỷ lệ nhận thành công các thông báo an toàn trong mạng VANET. Thông qua phương pháp giám sát mạng trong cơ chế được đề xuất mỗi phương tiện phân tích các khung tin nhận thành công được gửi gần đây để nhận biết điều kiện cục bộ hiện tại của mạng như xung đột hoặc tắc nghẽn. Dựa trên kết quả nhận được, cơ chế được đề xuất điều khiển kích thước CW và sử dụng cơ chế EDCA để truyền các luồng dữ liệu với độ ưu tiên khác nhau [CT1] [CT4].

Luận án đã đề xuất phương pháp nâng cao khả năng thích ứng của cửa sổ tương tranh bằng việc thiết kế cửa sổ trượt. Thuật toán điều khiển kích thước CW bằng cách trượt cửa sổ với hệ số thay đổi động nhằm giảm tỷ lệ xung đột giữa các loại lưu lượng thông báo an toàn. Mỗi lưu lượng dữ liệu chọn bộ đếm thời gian backoff thay đổi động trong phạm vi [0, CWi], có thể trùng lặp phạm vi CW với các lưu lượng dữ liệu khác để cải thiện hiệu quả băng thông trong các điều kiện khác nhau của mạng. Cơ chế được đề xuất đảm bảo phân tách riêng biệt giữa các luồng dữ liệu ưu tiên khác nhau và giảm thiểu đáng kể tỷ lệ xung đột [CT2].

Từ kết quả đạt được, luận án thấy rằng việc nâng cao hiệu năng trong mạng VANET bằng phương pháp điểu khiển truy cập là một vấn đề phức tạp. Kết quả được đánh giá thông qua các bộ mô phỏng trong các điều kiện gần với thực tế đã cho thấy hiệu quả và tiềm năng ứng dụng để giải quyết bài toán nâng cao hiệu năng trong mạng VANET. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET Trong chương này, luận án trình bày tổng quan về các chủ đề liên quan đến mạng VANET. Trong đó tập trung phân tích kiến trúc, mô hình truyền thông, đặc điểm, yêu cầu, ứng dụng và các thành phần giao thức trong mạng VANET.

Phần cuối chương trình bày khái niệm, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng mạng và phương pháp đánh giá hiệu năng trong mạng VANET.1 Giới thiệu mạng không dây Ad hoc Ngày nay, có nhiều chuẩn giao tiếp không dây ra đời để đáp ứng nhu cầu truyền thông, trong đó chuẩn IEEE 802.11 đóng vai trò quan trọng nhất.11 định nghĩa hai chế độ làm việc chính cho các mạng không dây cục bộ – WLANs (Wireless Local Area Networks) là dựa trên hạ tầng cơ sở (infrastructure based) và không cần hạ tầng cơ sở (infrastructure-less hay Ad hoc) [32]. Mạng không dây Ad hoc được gọi là mạng bao gồm các nút sử dụng giao diện không dây để truyền thông, được hình thành mà không có bất kỳ thực thể quản lý trung tâm nào. Thật vậy, mạng không dây Ad hoc là một loại mạng không dây phi cấu trúc. Trong đó đặc tính cơ bản là tính độc lập và tự kết nối của nó trên bất kỳ cơ sở hạ tầng nào có sẵn.

Các thiết bị trong mạng có thể di chuyển ngẫu nhiên. Khả năng dễ dàng mở rộng vùng phủ sóng vô tuyến là đặc điểm nổi bật nhất của mạng không dây Ad hoc khi so sánh với các loại mạng không dây khác. Mạng Ad hoc có hai mô hình cơ bản là đơn chặng và đa chặng. Mô hình đơn chặng có nghĩa là khoảng cách truyền sóng giữa hai nút mạng nằm trong vùng truyền sóng của nhau.

Mô hình đa chặng có nghĩa là truyền thông không dây được thực hiện thông qua một tập hợp các nút chuyển tiếp. Trong chuẩn IEEE 802.11 tham chiếu với mô hình OSI (Open Systems Interconnection), tầng liên kết dữ liệu gồm hai tầng con là MAC và LLC (Logical Link Control) [33]. Tầng MAC: Chịu trách nhiệm tạo khuôn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định. Điều khiển việc truy nhập vào kênh truyền chung một cách bình đẳng đồng thời phát hiện và giải quyết xung đột.

Tầng LLC: Chịu trách nhiệm thực hiện các biện pháp điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn, đồng thời phát hiện lỗi và sửa lỗi. Nhiệm vụ chung của lớp con 9 LLC là đảm bảo chuyển tiếp số liệu chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các mức chức năng cao hơn trong LAN. Ngoài ra, tầng LLC còn sử dụng các dịch vụ của tầng MAC để cung cấp dịch vụ vận chuyển giống nhau cho tầng mạng bên trên. Trong mạng Ad hoc, mỗi nút mạng đóng vai trò là trạm trung chuyển của các nút khác.

Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng Ad hoc. Trong môi trường mạng Ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers). Cách tiếp cận này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin giữa bên gửi và bên nhận. Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không hoạt động được.

Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng. Trong các mạng Ad hoc đa chặng, các trạm cộng tác để chuyển tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng. Do đó, một trạm phải truyền đi cả luồng trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp (forwarding flow), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm. Hiệu ứng của sự tranh chấp tại tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là sự công bằng.

Trong mạng không dây, tránh xung đột phải được thực hiện để đảm bảo các gói tin đến được đích. Để giảm thiểu xung đột, Chức năng điều phối phân tán - DCF (Distributed Coordination Function) dựa trên phương pháp điều khiển CSMA/CA yêu cầu một nút muốn truyền phải lắng nghe môi trường trong một khoảng thời gian DIFS (DCF InterFrame Space). Trong khoảng thời gian này, nếu nút cảm nhận môi trường đang bận, nó sẽ trì hoãn quá trình truyền của chính mình. Khi có nhiều nút đồng thời đang chờ cảm nhận môi trường, chúng cũng sẽ đồng thời nhận thấy kênh truyền được giải phóng và sau đó cố gắng truy cập kênh truyền cùng một lúc.

Do đó, xung đột có thể xảy ra [34]. Để tránh điều này, DCF sử dụng thủ tục quay lui hàm mũ nhị phân - BEB (Binary Exponential Backoff) để buộc các nút trì hoãn quyền truy cập kênh truyền thêm một khoảng thời gian.