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.