Nghiên cứu và đánh giá kỹ thuật định tuyến nhận biết tình huống đảm bảo chất lượng dịch vụ cho mạng ad hoc giao thông

Nó coi định tuyến QoS là một quá trình liên tục trong đó thuật toán định tuyến lựa chọn tuyến đường tốt nhất thỏa mãn các ràng buộc QoS; chuẩn bị các biện pháp đối phó nhất định để thực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM THỊ BÍCH THẢO

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT TÌNH HUỐNG ĐẢM BẢO CHẤT LƯỢNG

DỊCH VỤ CHO MẠNG AD HOC GIAO THÔNG

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số: 84 80 101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TOÀN THẮNG

THÁI NGUYÊN - 2022

Sau thời gian học tập và rèn luyện tại Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên, bằng sự biết ơn và kính trọng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Khoa Công nghệ thông tin thuộc Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên cùng các thầy, cô giáo đã nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Nguyễn Toàn Thắng, người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè cùng đồng nghiệp đã tạo điều kiện sát, nghiên cứu để tôi hoàn thành đề tài này

Tuy nhiên điều kiện về năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 28 tháng 9 năm 2022

Học viên

Phạm Thị Bích Thảo

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT YÊU CẦU QoS TRONG MẠNG AD HOC 4

1.1 Tổng quan về mạng VANET 4

1.1.1 Khái niệm mạng VANET 4

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET 5

1.2 Một số kết quả nghiên cứu về định tuyến QoS và nhận biết tình huống trong mạng VANET 7

1.2.1 Định tuyến đa đường 7

1.2.2 Định tuyến theo QoS 8

1.2.3 Nhận định và đánh giá các giao thức định tuyến 11

1.3 Mô hình toán học phục vụ nhận biết tình huống cho định tuyến QoS trong mạng VANET 12

1.3.1 Bài toán tìm đường đa mục tiêu MCP 12

1.3.2 Mô hình SA cho Định tuyến QoS đa rằng buộc trong mạng VANET 13

1.3 Tổng kết Chương 1 17

CHƯƠNG 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CÓ NHẬN BIẾT TÌNH HUỐNG THEO YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ SAMQ 20

2.1 Quy tắc ACS 20

2.1.1 Quy tắc lắng đọng pheromone 20

2.1.2 Các quy tắc chuyển đổi trạng thái 21

2.1.3 Quy tắc bay hơi pheromone 23

2.1.4 Quy tắc nhận thức QoS 24

2.2 Các gói điều khiển định tuyến và bảng định tuyến trong SAMQ 25

2.3 Thuật toán định tuyến SAMQ 28

2.3.1 Mô tả thuật toán 28

2.3.2 Thuật toán SAMQ 29

2.3.3 Tính chất của thuật toán SAMQ 31

2.3.4 Độ phức tạp của thuật toán SAMQ 32

2.4 Tiến trình hoạt động của giao thức định tuyến SAMQ 33

2.4.2 Tiến trình bảo trì đường 36

2.5 Tổng kết chương 2 39

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN SAMQ TRONG MẠNG VANET 39

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

VANET Vehicular Ad Hoc Network QoS Quality of Service

ACS Ant Colony System

SAMQ Situation Aware Multiconstrainded QoS OMNET++ Objective Modular Network Testbed in C++

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Một ví dụ của mạng VANET……….……… 4 Hình 1.2: Mô hình SA cho định tuyến QoS trong mạng VANET ……….15 Hình 2.1: Ví dụ về tiến trình khám phá đường trong giao thức SAM … 36 Hình 3.1: Minh họa kịch bản mô phỏng……… 41 Hình 3.2: Biểu đồ tỷ lệ phân phối gói theo số lượng nút ……… 45

Hình 3.3: Biểu đồ chi phí định tuyến theo số lượng nút……….…… … 46

Hình 3.4: Biểu đồ trễ tìm đường trung bình theo số lượng nút ………… 48 Hình 3.5: Biểu đồ tỷ lệ rớt gói trung bình theo số lượng nút……… 50 Hình 3.6: Biểu đồ tỷ lệ phân phối gói theo vận tốc nút… ……… 51 Hình 3.7: Biểu đồ chi phí định tuyến theo số lượng nút ………53 Hình 3.8: Biểu đồ trễ tìm đường trung bình theo số lượng nút …… ……54 Hình 3.9: Biểu đồ tỷ lệ rớt gói trung bình theo số lượng nút ……… ……56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Giá trị các tham số chung cho các mô phỏng……….43

Bảng 3.2 Tỷ lệ phân phối gói theo số lượng nút………44

Bảng 3.3 Chi phí điều khiển định tuyến theo số lượng nút……… 46

Bảng 3.4 Trễ tìm đường trung bình theo số lượng nút……… 47

Bảng 3.5 Tỷ lệ rớt gói trung bình theo số lượng nút……… 49

Bảng 3.6 Tỷ lệ phân phối gói theo vận tốc nút……… 50

Bảng 3.7 Chi phí điều khiển định tuyến theo vận tốc nút……… 52

Bảng 3.8 Trễ tìm đường trung bình theo vận tốc nút……….53

Bảng 3.9 Tỷ lệ rớt gói trung bình theo vận tốc nút………55

MỞ ĐẦU

Gần đây, sự phát triển của mạng ad hoc giao thông (VANET) đã nhận được nhiều sự quan tâm và nỗ lực nghiên cứu hơn từ ngành công nghiệp và cộng đồng học thuật [7] VANET là công nghệ quan trọng trong các hệ thống giao thông thông minh được dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong các thành phố thông minh trong tương lai bằng cách cải thiện an toàn đường bộ và cung cấp các dịch vụ sáng tạo liên quan đến các ứng dụng quản lý giao thông và thông tin giải trí Điều này đã kích thích việc tạo ra một loạt các dịch vụ để triển khai trong tương lai trong VANET, từ quản lý an toàn và giao thông đến các ứng dụng thương mại Các dịch vụ này phải được cung cấp với sự đảm bảo về chất lượng dịch vụ (QoS) Nếu không, chúng sẽ không được triển khai hoặc sử dụng thành công Tính di động cao của mạng VANET làm cho việc dự trữ tài nguyên cho các dịch vụ không thể áp dụng cho việc cung cấp các đảm bảo QoS Hơn nữa, liên kết giao tiếp giữa hai phương tiện rất dễ bị ngắt kết nối do các phương tiện di chuyển và hành vi không thể đoán trước của người lái xe Những điều này làm cho các chỉ số QoS liên quan đến các tuyến đã thiết lập hiện tại thay đổi nhanh chóng và tuyến được tính toán tốt nhất đã chọn có thể nhanh chóng trở nên kém hiệu quả hoặc thậm chí không khả thi Do đó, việc chọn đường tối ưu không thể đảm bảo truyền dữ liệu đáng tin cậy, ngay cả khi nó thỏa mãn các ràng buộc QoS đã xác định khi đường được thiết lập

Việc tìm kiếm đa đường trong mạng đa phương tiện theo nhiều ràng buộc QoS có lựa chọn đường dẫn đa MCP, đã được chứng minh là một bài toán khó nếu các ràng buộc độc lập lẫn nhau [8] Trong các mạng có độ di động thấp, đã có nhiều nghiên cứu giải quyết các vấn đề về định tuyến QoS và MCP [1, 4] Có hai cách tiếp cận được áp dụng để giải quyết các bài toán MCP, đó là các thuật toán định tuyến QoS chính xác và các thuật toán định tuyến theo phương pháp heuristic và xấp xỉ Trong hai cách tiếp cận này, các nhiều chiến lược khác nhau đã được sử dụng Các giải pháp heuristic phân tán như thuật toán dựa trên trí thông

minh bầy đàn đặc biệt phù hợp để giải quyết các vấn đề MCP trong mạng VANET Chúng được phân phối đầy đủ, có khả năng tự tổ chức, có khả năng chịu lỗi và chúng thích ứng với những thay đổi về lưu lượng mà không đòi hỏi các cơ chế phức tạp [6] ACS đã được công nhận là một kỹ thuật hiệu quả để giải quyết bài toán MCP cho kết quả gần với kết quả của các thuật toán tìm đường tối ưu [5] Tuy nhiên, câu hỏi làm thế nào để các cơ chế ACS có thể đóng góp vào việc định tuyến nhận biết tình huống đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS (SAMQ) dành cho mạng VANET vẫn chưa được giải đáp

Nhận biết tình huống là khả năng trích xuất thông tin từ môi trường, tích hợp thông tin đó với kiến thức nội bộ có liên quan và sử dụng các thông tin trích xuất được để dự đoán các sự kiện trong tương lai [2] Nó mô tả nhận thức của các thành phần trong môi trường giới hạn theo thời gian và không gian, hiểu biết ý nghĩa, dự đoán tình trạng của chúng trong tương lai gần và các hành động có thể thực hiện để quản lý rủi ro liên quan đến các quyết định được đưa ra Trong bối cảnh này, tiến trình định tuyến đa rằng buộc QoS trong mạng VANET có thể được xem xét từ quan điểm nhận biết tình huống

Nhận biết tình huống cung cấp một cách tiếp cận khác đối với quy trình định tuyến QoS trong VANETs Nó coi định tuyến QoS là một quá trình liên tục trong đó thuật toán định tuyến lựa chọn tuyến đường tốt nhất thỏa mãn các ràng buộc QoS; chuẩn bị các biện pháp đối phó nhất định để thực hiện khi đường tốt nhất đã chọn bị lỗi, tức là cho phép khôi phục liên kết hoặc đường tại hoặc gần điểm lỗi; và tiếp tục đánh giá các giải pháp hiện tại dựa trên trạng thái của mạng lưới phương tiện giao thông Để làm được điều đó, thông tin động học của các phương tiện, sự phân bố toán học của chuyển động và vận tốc của chúng cũng như các điều kiện mạng lưới phương tiện giao thông hiện tại cần phải được nhận thức và phân tích Dựa trên phân tích này, các quyết định định tuyến được đưa ra để đảm bảo rằng đường QoS tốt nhất được sử dụng Hơn nữa, các nút trung gian liên tục tham gia vào việc chuẩn bị các liên kết / đường QoS thay thế để sử dụng ngay lập

tức nếu tuyến hiện tại bị lỗi Thông tin cần thiết để áp dụng thành công cách tiếp cận này trong VANETs đã có sẵn thông qua các kênh truyền thông khác nhau Theo cách này, các hoạt động giám sát trạng thái mạng được tiến hành bởi thuật toán định tuyến mà không làm phát sinh chi phí định tuyến Tuy nhiên, tạo thêm sự phức tạp của quá trình định tuyến khi cập nhật thông tin bên trong các nút để chuyển tải những thay đổi trong điều kiện mạng

Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu về thuật toán định tuyến SAMQ để thực hiện quá trình định tuyến QoS trong mạng VANET trên cơ sở kỹ thuật nhận biết tình huống [3] Trong đó đề tài tập trung vào nghiên cứu vấn đề cơ bản của việc đảm bảo truyền dữ liệu đáng tin cậy trong mạng VANET Hiệu quả của thuật toán và giao thức định tuyến SAMQ đối với hiệu năng mạng VANET sẽ được chứng minh qua các phân tích đánh giá các kết quả mô phỏng giao thức SAMQ và một số giao thức cùng lớp khác mô phỏng OMNET++

Luận văn có bố cục như sau: Sau phần mở đầu là nội dung Chương một số nghiên cứu về định tuyến nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ trong mạng ad hoc Chi tiết về kỹ thuật và các thuật toán định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS được trình bày trong Chương 2 Các kết quả của việc thử nghiệm mô phỏng và đánh giá hiệu năng của giao thức QoS so với giao thức MAR-DYMO và giao thức VACO được trình bày trong Chương 3 Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển của luận văn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ NGHIÊN CỨU ĐỊNH TUYẾN NHẬN BIẾT YÊU CẦU QoS TRONG MẠNG AD HOC 1.1 Tổng quan về mạng VANET

1.1.1 Khái niệm mạng VANET

Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ mạng không dây sử dụng các phương tiện giao thông di chuyển như là các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động Trong mạng VANET, mỗi phương tiện giao thông có thể đóng vai trò là một bộ định tuyến hay một nút mạng không dây để cho phép một phương tiện giao thông có thể kết nối với các phương tiện giao thông khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300 mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng Các phương tiện có thể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, hoặc đi vào để tham gia, kết nối với các phương tiện khác trên mạng

Trong thực tế, hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ mạng VANET 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 Hình 1.1 minh họa một ví dụ của mạng VANET

Hình 1.1 Một ví dụ của mạng VANET

Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng 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 thường như đa phương 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 mạng 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 Ad hoc cho các hành khách Mạng này hướng 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 Trong trường hợp xảy ra va chạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ 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 hình ảnh, video, gọi điện video Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương tiện tham gia giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí như phí gửi xe, phí cầu đường,…

1.1.2 Đặc điểm của mạng VANET

Do VANET là một mạng ad hoc nên nó có chung một số đặc điểm với mạng MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và chia sẻ đường 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

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 lệch Trong mạng việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố 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 hưởng như “phản ứng dây truyền”

Các đặc điểm của mạng VANET

 Các node mạng di chuyển với tốc độ cao: Điều này sẽ dẫn đến kết nối trực tiếp giữa hai nút mạng di chuyển ngược chiều chỉ tồn tại trong thời gian ngắn

 Thường xuyên ngắt kết nối mạng: Với những nút mạng chỉ tồn tại liên kết trực tiếp trong thời gian ngắn, để đảm bảo kết nối thông suốt thì phải thiết lập kết nối thông qua các nút trung gian Trong các trường hợp ngắt kết nối như vậy, đặc biệt trong khu vực mật độ xe thấp thì thường xuyên xảy ra việc ngắt kết nối mạng

 Mô hình chuyển động và dự đoán: Rất khó để đoán chuyển động của các phương tiện giao thông Để kiến trúc mạng hoạt động hiệu quả, cần phải nghiên cứu mô hình chuyển động và dự đoán chuyển động

 Môi trường truyền thông tin biến động: Không khó để dự đoán trong các mô hình các phương tiện giao thông chuyển động trên hệ thống đường cao tốc, chuyển động một chiều nhưng trong các mô hình chuyển động trên đường phố, các phương tiện giao thông đông đúc, tòa nhà, cây cối lại gây ra cản trở quá trình truyền thông tin

 Hạn chế về trễ: Các vấn đề an toàn (tai nạn, phanh xe,…) của nút mạng phải thông báo đến các nút mạng liên quan Khi đó có một khoảng thời gian trễ để các nút mạng khác nhận biết được sự kiện này Do đó, vấn đề đối với mạng VANET không chỉ là tốc độ truyền dữ liệu cao mà trễ truyền thông phải ở ngưỡng chấp nhận được

1.2 Một số kết quả nghiên cứu về định tuyến QoS và nhận biết tình huống trong mạng VANET

Đối với mạng ad hoc di động nói chung và mạng VANET nói riêng, vấn đề định tuyến là một vấn đề đã và đang dành được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu về mạng trên thế giới Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các giao thức, kỹ thuật và phương pháp định tuyến dành cho mạng VANET Một trong những hướng nghiên cứu về giao thức định tuyến có tiềm năng ứng dụng lớn trong mạng VANET thực tế là định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) và nhận biết tình huống Các kết quả nghiên cứu này đã được tổng hợp trong [3] như sau:

1.2.1 Định tuyến đa đường

Đối với các giao thức định tuyến đa đường dành cho mạng MANET và VANET, có thể kể đến một số giao thức định tuyến như:

Giao thức định tuyến đa đường AODVM: mỗi nút chỉ được phép tham gia

vào một đường, tức là không có nút chung nào được phép giữa bất kỳ hai tuyến đã thiết lập nào khác với nguồn và các nút đích

Giao thức định tuyến đa đường AOMDV: mỗi liên kết chỉ được phép tham

gia vào một đường, tức là không có liên kết chung nào được phép giữa hai tuyến đã thiết lập bất kỳ

Giao thức định tuyến nguồn theo yêu cầu SMR: thiết lập nhiều tuyến

đường của các đường dẫn tách biệt tối đa giữa các nút nguồn và nút đích Sau đó, các gói dữ liệu được phân phối giữa nhiều tuyến đường này để tránh tắc nghẽn và

sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả Khi xảy ra ngắt kết nối tuyến, nút nguồn bắt đầu khám phá tuyến mới để thay thế tuyến bị ngắt hoặc đợi cho đến khi tất cả các tuyến bị hỏng trước khi bắt đầu quá trình khám phá tuyến mới Có thể nhận thấy rằng SMR tạo ra mức chi phí kiểm soát định tuyến cao vì nó bắt đầu khám phá tuyến mới khi xảy ra đứt liên kết hoặc khi tất cả các tuyến bị hỏng

Giao thức định tuyến đa đường trạng thái liên kết được tối ưu MP-OLSR: là giao thức kết hợp các cơ chế định tuyến chủ động và định tuyến theo

yêu cầu Nó gửi các bản tin HELLO và điều khiển cấu trúc liên kết theo định kỳ để phát hiện cấu trúc liên kết mạng, tương tự như giao thức OLSR Tuy nhiên, giao thức MP-OLSR chỉ tính toán các tuyến đa đường khi các gói dữ liệu cần được gửi đi, tức là có phản ứng Toàn bộ lộ trình từ nguồn đến đích được lưu trong tiêu đề của gói dữ liệu Khi một nút trung gian nhận được gói dữ liệu, nó sẽ kiểm tra trạng thái bước tiếp theo phù hợp với lộ trình nguồn trước khi chuyển tiếp gói này Nếu bước tiếp theo là một trong những nước láng giềng của nó, nó sẽ chuyển tiếp nó; nếu không, nút trung gian sẽ tính toán lại tuyến đường và chuyển tiếp gói tin bằng cách sử dụng tuyến đường mới Có thể nhận thấy rằng việc tính toán lại tuyến đường tại các nút trung gian và thay đổi nó trong tiêu đề gói dữ liệu là không thực tế trong một mạng năng động cao như VANET Giao thức này gây ra độ trễ cao cho quá trình chuyển tiếp gói dữ liệu vì tại một nút, một tuyến cần được tính toán lại phải được tính toán lại cho mỗi gói dữ liệu theo tuyến đó

1.2.2 Định tuyến theo QoS

Đối với các giao thức định tuyến theo yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS, có một số đề xuất tiêu biểu [3]:

Giao thức định tuyến MAZACORNET: là giao thức định tuyến đa đường

kết hợp trên cơ sở thuật toán tối ưu kiểu đàn kiến có nhận biết vị trí Giao thức này đã sử dụng chuyển động, mật độ và vận tốc cũng như điều kiện mờ dần của các phương tiện để phát triển một thuật toán định tuyến Mạng lưới phương tiện

được chia thành nhiều khu vực, trong đó phương pháp chủ động được sử dụng để tìm tuyến đường trong một khu vực và phương pháp phản ứng được sử dụng để tìm tuyến đường giữa các khu vực Chất lượng liên kết giữa các phương tiện liên lạc được ước tính bằng cách sử dụng độ ổn định liên kết được tính toán bằng cách sử dụng các giá trị vận tốc và vị trí của các phương tiện và xác suất nhận thành công tin nhắn, phụ thuộc vào khoảng cách giữa các phương tiện nằm trong cùng một phạm vi liên lạc, ước tính bằng cách sử dụng mô hình mờ dần Nakagami MAZACORNET sử dụng năm loại kiến khác nhau để thực hiện quá trình khám phá tuyến đường Ngoài ra, nó sử dụng hai bảng định tuyến: bảng định tuyến nội vùng và giữa các vùng Bảng định tuyến nội bộ chủ động cập nhật thông tin trong khu vực bằng cách sử dụng kiến chuyển tiếp nội bộ, được truyền sau mỗi 20 giây, trong khi bảng định tuyến giữa các khu vực cập nhật thông tin giữa các khu vực theo yêu cầu MAZACORNET phù hợp với các tình huống mạng dày đặc nơi có một số lượng lớn các phương tiện giao thông trong khu vực Do phương pháp chủ động được sử dụng để cập nhật bảng định tuyến nội bộ, MAZACORNET dẫn đến chi phí kiểm soát định tuyến cao

Giao thức định tuyến ACS: là giao thức định tuyến được phát triển theo ý

tưởng hành vi tìm mồi của kiến sinh học Nó sử dụng thông tin có sẵn trong VANET, chẳng hạn như vị trí và vận tốc của phương tiện trong các tiến trình định tuyến Thuật toán định tuyến được đề xuất sử dụng thời gian tồn tại của tuyến đường, được dự đoán bằng cách sử dụng thông tin vị trí và vận tốc cũng như xác suất nhận tin nhắn trong liên kết một bước, để chỉ ra mức pheromone được gửi trên tuyến đường đó Đối với các tuyến đường đa chặng, xác suất tiếp nhận gói tin được thiết lập bằng không và thời gian tồn tại của tuyến đường được dự đoán là chỉ báo duy nhất về chất lượng của đường Cơ chế bay hơi tín hiệu sinh học pheromone của kiến được mô hình hóa trong giao thức sao cho pheromone bay hơi hoàn toàn vào cuối thời gian tồn tại của đường

Giao thức định tuyến MAR-DYMO: là định tuyến tối ưu hóa kiểu đàn kiến

nhận biết tính di động Trong giao thức này, các thông báo HELLO được sửa đổi bằng cách thêm thông tin về vị trí và vận tốc của phương tiện để cho phép các phương tiện khác dự đoán về tính di động của nó MAR-DYMO không xem xét những thay đổi chưa được dự báo trước có thể xảy ra đối với các tuyến đường đã thiết lập hoặc chất lượng của chúng Nó kéo dài thời gian tồn tại của tuyến khi nó được sử dụng thành công trong việc chuyển tiếp các gói dữ liệu Khi xảy ra đứt liên kết, MAR-DYMO bắt đầu một khám phá định tuyến mới tại nút nguồn để thay thế đường không hợp lệ, dẫn đến chi phí kiểm soát định tuyến cao

Giao thức định tuyến VACO: gọi là giao thức định tuyến cho mạng giao thông dựa trên tối ưu hóa đàn kiến Nó được thiết kế để tìm ra tuyến đường tốt nhất từ phương tiện nguồn đến RSU ở giao lộ gần nhất với phương tiện đích theo độ trễ, băng thông và tỷ lệ phân phối Các chỉ số này được kết hợp để ước lượng chất lượng chuyển tiếp của từng đoạn đường theo định kỳ bằng cách sử dụng luồng dữ liệu đang thực hiện VACO kết hợp cả phương pháp tiếp cận phản ứng và chủ động Khi bắt đầu quá trình thiết lập tuyến phản ứng, nút nguồn tạo ra một số kiến chuyển tiếp về phía RSU mục tiêu để khám phá và thiết lập tuyến đường tốt nhất bao gồm danh sách các giao lộ Sau khi đạt đến RSU mục tiêu, các gói tin kiến lùi được tạo ra và quay trở lại nút nguồn Về bảo trì tuyến đường, VACO thực hiện phương pháp tiếp cận chủ động bằng cách lên lịch truyền gói tin kiến điều khiển định kỳ để khám phá và cập nhật các tuyến đường bằng cách thu thập các ước tính mới nhất về chất lượng chuyển tiếp của các đoạn đường

Giao thức định tuyến IRQV: là một giao thức định tuyến QoS dựa trên giao

lộ cho VANET trong môi trường đô thị Dựa trên cơ chế ACS, IRQV tính toán tuyến đường tối ưu giữa hai giao lộ đầu cuối, tương ứng là các giao lộ gần nhất với phương tiện nguồn và phương tiện đích Tuyến đường đã phát hiện, bao gồm liên tiếp các giao lộ, được đánh giá bằng sự kết hợp của hai chỉ số QoS: xác suất kết nối và độ trễ truyền Khi được chuyển tiếp giữa hai giao điểm lân cận, các gói

dữ liệu sử dụng cơ chế chuyển tiếp và chuyển tiếp tham lam Tại các giao lộ, các gói dữ liệu được chuyển tiếp động đến giao lộ tiếp theo theo pheromone toàn cục tối đa từ giao lộ hiện tại đến giao điểm cuối cùng của điểm đến Khi các giao điểm đầu cuối của nguồn và / hoặc đích thay đổi, một thăm dò định tuyến mới được bắt đầu tại nút nguồn để thay thế tuyến không hợp lệ IRQV giả định rằng mỗi xe được trang bị hệ thống Định vị Toàn cầu, bản đồ kỹ thuật số và hệ thống định vị, và các điểm truy cập Wi-Fi được lắp đặt tại mỗi giao lộ để chuyển tiếp các gói dữ liệu và lưu trữ thông tin định tuyến

1.2.3 Nhận định và đánh giá các giao thức định tuyến

Theo [3], các giao thức đã trình bày ở phần 1.2.1 và 1.2.2 tập trung vào việc tìm kiếm các tuyến khả thi tuân theo một hoặc nhiều ràng buộc QoS và chọn tuyến tốt nhất mà không tính đến các ngắt kết nối không được dự đoán có thể xảy ra do tính năng động cao của mạng VANET Nó chủ yếu phụ thuộc vào việc ước tính thời gian tồn tại của liên kết hay tuyến đường Đây là các yếu tố có thể thay đổi rất nhanh hoặc đột ngột Hơn nữa, không có cơ chế nào được đề xuất để phản ứng ngay lập tức nếu tuyến đường đã chọn không thành công Hầu hết các thuật toán đề xuất tính toán lại tuyến đường tốt nhất một lần nữa Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp phù hợp với thực tế trong các mạng VANET Thời gian chờ đợi tuyến đường mới được thiết lập dài dẫn tới khả năng vào thời điểm thông tin về một tuyến đường đã phát hiện được trả về nút nguồn, tuyến đường đó có thể đã bị lỗi Cơ chế này cũng dẫn đến chi phí kiểm soát định tuyến cao

Để khắc phục những nhược điểm này, các tác giả trong [3] đã đề xuất khái niệm định tuyến có nhận biết tình huống để giải quyết vấn đề định tuyến theo yêu cầu QoS đa hệ thống trong mạng VANET So với việc các tuyến đa đường được tính toán tại nút nguồn và toàn bộ tuyến được thay thế khi xảy ra đứt liên kết trong định tuyến đa đường, định tuyến nhận biết tình huống sử dụng mô hình SA để khôi phục các lỗi liên kết bằng cách chuyển liên kết hoặc các tuyến đường con tại hoặc gần điểm đứt chỉ khi có thể Nó cố gắng đảm bảo phản hồi ngay lập tức tại

các nút trung gian thay vì bắt đầu một quá trình khám phá tuyến mới tại nút nguồn Bằng cách này, sự gián đoạn trong quá trình truyền dữ liệu được kỳ vọng sẽ giảm thiểu đáng kể

1.3 Mô hình toán học phục vụ nhận biết tình huống cho định tuyến QoS trong mạng VANET

1.3.1 Bài toán tìm đường đa mục tiêu MCP

Giả sử G(V, E) là đồ thị vô hướng đại diện cho mạng truyền thông giao thông, trong đó V là tập hợp các phương tiện giao thông và E là tập hợp các liên kết kết nối các phương tiện giao thông Gọi m là số ràng buộc QoS Li, trong đó i = 1, 2, … , m Mỗi liên kết giữa hai phương tiện C1 và C2 được ký hiệu là l(C1, C2) ∈ E được liên kết với m trọng số tương ứng với các ràng buộc QoS sao cho wi(C1, C2)

≥ 0 Bài toán MCP là bài toán xác định xem có tuyến đường P từ nguồn s đến đích

d sao cho đáp ứng tất cả các ràng buộc QoS, được mô tả trong công thức (1)

𝑤𝑖 ≤ 𝐿𝑖 , 𝑖 = 1,2, … , 𝑚 (1)

Nếu có nhiều hơn một tuyến đường thỏa mãn điều kiện trong (1), thì bài toán

tìm đường tối ưu đa mục tiêu là tìm tuyến đường tối đa hóa hàm mục tiêu F(P)

theo công thức (2)

trong đó M(s,d) là tập các tuyến đường giữa nút s và nút d thỏa mãn các điều kiện trong (1) và hàm F(P) là hàm mục tiêu được xác định theo (3)

𝐹(𝑃) = ∑ 𝑂𝑖( 𝐿𝑖

trong đó 0 <Oi ≤ 1 là các trọng số liên quan đến mỗi ràng buộc QoS và phụ thuộc vào loại lưu lượng được truyền

Ví dụ: Giả sử rằng dữ liệu thoại yêu cầu hai ràng buộc QoS là L1 = 100 ms

đối với độ trễ truyền gói tin đầu cuối và L2 = 10 chặng đối với độ dài đường Một

ứng dụng có thể đặt O1 = 1 và O2 = 0,5 trong (3) để ưu tiên tuyến đường có giá trị độ trễ đầu cuối thấp nhất vì dữ liệu thoại nhạy cảm với độ trễ

Do trạng thái mạng hiện tại, việc tìm các đường có thể đáp ứng tất cả các ràng buộc QoS không phải lúc nào cũng khả thi Trong trường hợp này, [3] đề xuất một cơ chế cho phép các ứng dụng xác định các hệ số dung sai để giảm bớt các hạn chế về yêu cầu QoS Các hệ số dung sai như vậy chỉ được áp dụng khi đường tìm được vi phạm một hoặc nhiều yêu cầu QoS theo (1) Sau khi áp dụng

các hệ số dung sai, nếu đường được tìm thấy P vẫn vi phạm một hoặc nhiều yêu cầu QoS, thì đường đó sẽ bị loại bỏ Ngược lại, nó được thêm vào M(s,d) và tuân

theo quá trình lựa chọn trong (2)

Gọi Ψi là hệ số dung sai cho ràng buộc Li, trong đó 0 ≤ Ψi <1 Công thức (1) được mở rộng thành công thức (4) như sau:

𝑤𝑖(𝑃) ≤ (1 + 𝛹𝑖)𝐿𝑖 , 𝑖 = 1,2, … , 𝑚 (4)

1.3.2 Mô hình SA cho Định tuyến QoS đa rằng buộc trong mạng VANET

Theo [3], việc chọn tuyến đường QoS tốt nhất trong mạng không đảm bảo tuyến đường này sẽ truyền dữ liệu một cách tin cậy Thuật toán định tuyến cần quản lý các rủi ro trong việc đưa ra quyết định định tuyến do những thay đổi không thể đoán trước trong mạng giao thông Khái niệm SA cung cấp khả năng này cho thuật toán định tuyến QoS Nó coi định tuyến QoS là một quá trình liên tục trong đó thuật toán định tuyến chọn tuyến đường tốt nhất trong mạng theo (2), chuẩn bị các biện pháp đối phó nhất định sẽ được thực hiện khi tuyến đường hiện tại bị lỗi và tiếp tục đánh giá các giải pháp hiện tại dựa trên trạng thái của mạng lưới giao thông Có 4 cấp độ của mô hình SA được [3] đề xuất cho định tuyến QoS đa rằng buộc trong mạng VANET là Nhận thức, Hiểu, Dự đoán và Giải pháp Hình 1.3 minh họa mô hình SA với 4 cấp độ

 Cấp độ 1: Nhận thức

Đối với định tuyến QoS trong VANET, cấp độ Nhận thức liên quan đến kiến thức về các điều kiện môi trường mạng giao thông như vị trí, hướng và vận tốc của phương tiện Các thông tin này có thể thu được từ các BSM, phân bố vận tốc phương tiện, lưu lượng giao thông và điều kiện thời tiết Ngoài ra, hành vi của người lái xe liên quan đến xu hướng tăng hoặc giảm tốc độ của họ cũng là một tham số quan trọng mà thuật toán định tuyến cần xử lý Các thông số này cung cấp thông tin cần thiết để xác định trạng thái hiện tại của mạng giao thông và tạo cơ sở cho các cấp độ: Hiểu, Dự đoán và Hành động

Hình 1.2 Mô hình SA cho định tuyến QoS trong mạng VANET

 Cấp độ 2: Hiểu

Các thuật toán định tuyến phải hiểu và phân tích thông tin có sẵn để cung cấp bức tranh cập nhật về trạng thái hiện tại của mạng giao thông cho các cấp độ

SA tiếp theo Ví dụ: để ước tính chính xác thời gian tồn tại Tij(t) của liên kết giữa hai phương tiện Ci và Cj trong Cấp độ hiểu, việc tổng hợp thông tin về vị trí, hướng đi và vận tốc của mỗi phương tiện sẽ xác định xem chúng đang di chuyển lại gần nhau hay ra xa nhau Thông tin đầu ra của cấp độ này sẽ được sử dụng cho Cấp độ dự đoán

 Cấp độ 3: Dự báo

Đối với định tuyến QoS trong VANET, dự báo đề cập đến khả năng dự đoán trạng thái tương lai của mạng phương tiện, dự đoán thời gian tồn tại của liên kết và các chỉ số QoS của nó dựa trên thông tin tổng hợp từ Cấp độ 2 Về khía cạnh này, phép chiếu cố gắng trả lời những câu hỏi sau: Mối liên kết giữa hai phương tiện đáng tin cậy như thế nào? Khi nào thì liên kết này không thành công? Khi nào thì tuyến đường đã thiết lập này sẽ ngừng đáp ứng các ràng buộc QoS? Các dự báo này được đưa đến cấp độ SA tiếp theo để có thể đưa ra các quyết định phù

hợp Xét ví dụ ước tính chính xác thời gian tồn tại của liên kết Tij(t), gọi H là phạm vi truyền không dây và vi(t) và vj(t) lần lượt là vận tốc Ci và Cj tại thời điểm t

Tij(t) có thể được ước lượng chính xác bằng cách sử dụng công thức (5) với các

tham số thích hợp dựa trên phản hồi của mức độ hiểu thay vì sử dụng một công

trong đó θ = −1 và ϑ = 1 khi Cj vượt qua Ci; θ = 1 và ϑ = 1 khi Ci chuyển

động về phía trước Cj; θ = −1 và ϑ = −1 khi Ci và Cj chuyển động về phía nhau; θ = 1 và ϑ = −1 khi Ci và Cj chuyển động ra xa nhau

 Cấp độ 4: Giải pháp

Cấp độ này đề cập đến các giải pháp cần thiết để khôi phục một tuyến đường giữa hai phương tiện bất kỳ trong trường hợp liên kết bị lỗi Dựa trên các thông tin từ Cấp độ dự báo, thuật toán định tuyến chuẩn bị các liên kết hoặc tuyến đường QoS thay thế trong trường hợp tuyến đường hiện tại bị lỗi Nhiệm vụ này có thể được thực hiện bằng cách xác định một mạng lưới các liên kết QoS đáng tin cậy và các tuyến đường giữa các phương tiện giao thông Sau đó, quyết định được đưa ra để sử dụng liên kết hoặc tuyến đường QoS tốt nhất hiện có làm liên kết hoặc tuyến đường chính, bắt đầu truyền dữ liệu và liệt kê các lựa chọn thay thế của nó làm bản dự phòng trên cơ sở độ tin cậy và chỉ số QoS để sử dụng nếu cần Sau đó, khi cấu trúc liên kết mạng thay đổi, thuật toán định tuyến tiếp tục nhận biết trạng thái của mạng giao thông để cập nhật thông tin về các liên kết hoặc tuyến đường đã thiết lập nhằm đảm bảo tính hợp lệ

Mô hình SA trong Hình 1.2 được thiết kế đặc biệt cho các mạng VANET để đưa ra các quyết định định tuyến QoS đáng tin cậy hơn Nó giúp thuật toán định tuyến QoS thiết lập các tuyến QoS đáng tin cậy và tiếp tục đánh giá tình hình hiện tại thông qua các cấp độ SA để có phản hồi ngay lập tức nếu cấu trúc liên kết mạng thay đổi Các thay đổi đột ngột được xử lý khi đưa ra các quyết định định tuyến để giảm ảnh hưởng của chúng đến việc truyền dữ liệu Thông tin vị trí, vận tốc, hướng đi và gia tốc được coi là dữ liệu cấp thấp khi một phương tiện nhận biết, tức là không thể đưa ra quyết định định tuyến trực tiếp dựa trên những dữ liệu này Phân tích và tổng hợp thông tin này trong ngữ cảnh của mạng giao thông cho phép thuật toán định tuyến QoS xem xét các tùy chọn có sẵn và nhận thức được cách các liên kết hoặc tuyến đường đã thiết lập hiện tại sẽ thay đổi như nào theo thời gian

Vì chuyển động của các phương tiện có thể được dự đoán trong tương lai gần dựa trên thông tin ở Cấp độ hiểu, thuật toán định tuyến QoS có thể cân nhắc lựa chọn các tùy chọn có sẵn của nó, chẳng hạn như các liên kết hoặc các tuyến

đường theo chỉ số và độ tin cậy QoS của chúng Do đó, các quyết định định tuyến QoS được đưa ra dựa trên sự hợp tác giữa ba cấp độ đầu tiên của mô hình SA Để giảm thiểu tác động của các lỗi không thể đoán trước được của tuyến đường tốt nhất đã chọn, cần có sẵn một tập hợp các phương án dự phòng để thay thế liên kết hoặc tuyến đường bị lỗi ngay lập tức mà không làm gián đoạn quá trình truyền dữ liệu hiện tại Nhiệm vụ này có thể được thực hiện bằng cách xem xét các tuyến đường QoS đáng tin cậy tại mỗi nút trong quá trình định tuyến QoS Cấp độ hành động trong mô hình SA cung cấp khả năng này và cho phép thuật toán định tuyến QoS phản ứng với bất kỳ sự cố đứt liên kết nào ở gần hoặc tại nút mà sự cố xảy ra Kết quả là, hiệu quả của quá trình định tuyến QoS trong mạng VANET được cải thiện

Việc thu thập và lan truyền thông tin cần thiết để thực thi thành công mô hình SA được thực hiện cả trước, trong và sau khi hoàn thành quá trình định tuyến QoS

1.3 Tổng kết Chương 1

Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ mạng không dây sử dụng các phương tiện giao thông di chuyển như là các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động Trong mạng VANET, mỗi phương tiện giao thông có thể đóng vai trò là một bộ định tuyến hay một nút mạng không dây để cho phép một phương tiện giao thông có thể kết nối với các phương tiện giao thông khác

Đối với mạng ad hoc di động nói chung và mạng VANET nói riêng, vấn đề định tuyến là một vấn đề đã và đang dành được rất nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu về mạng trên thế giới Trong thời gian qua, đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các giao thức, kỹ thuật và phương pháp định tuyến dành cho mạng VANET Một trong những hướng nghiên cứu về giao thức định tuyến có tiềm năng ứng dụng lớn trong mạng VANET thực tế là định tuyến có nhận biết yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) và nhận biết tình huống

Trong thời gian qua, đã có nhiều giao thức định tuyến được đề xuất dành cho mạng VANET Trong đó, tập trung vào việc tìm kiếm các tuyến đường khả thi tuân theo một hoặc nhiều ràng buộc QoS và chọn tuyến tốt nhất mà không tính đến các ngắt kết nối không được dự đoán có thể xảy ra do tính năng động cao của mạng VANET Nó chủ yếu phụ thuộc vào việc ước tính thời gian tồn tại của liên kết hay tuyến đường Đây là các yếu tố có thể thay đổi rất nhanh hoặc đột ngột Hơn nữa, không có cơ chế nào được đề xuất để phản ứng ngay lập tức nếu tuyến đường đã chọn không thành công Hầu hết các thuật toán đề xuất tính toán lại tuyến đường tốt nhất một lần nữa Tuy nhiên, đây không phải là một giải pháp phù hợp với thực tế trong các mạng VANET Thời gian chờ đợi tuyến đường mới được thiết lập dài dẫn tới khả năng vào thời điểm thông tin về một tuyến đường đã phát hiện được trả về nút nguồn, tuyến đường đó có thể đã bị lỗi Cơ chế này cũng dẫn đến chi phí kiểm soát định tuyến cao

Để khắc phục những nhược điểm này, tác giả trong [3] đã đề xuất khái niệm định tuyến có nhận biết tình huống để giải quyết vấn đề định tuyến theo yêu cầu QoS đa hệ thống trong mạng VANET So với việc các tuyến đa đường được tính toán tại nút nguồn và toàn bộ tuyến được thay thế khi xảy ra đứt liên kết trong định tuyến đa đường, định tuyến nhận biết tình huống sử dụng khái niệm SA để khôi phục các lỗi liên kết bằng cách chuyển liên kết hoặc các tuyến đường con tại hoặc gần điểm đứt chỉ khi có thể Nó cố gắng đảm bảo phản hồi ngay lập tức tại các nút trung gian thay vì bắt đầu một quá trình khám phá tuyến mới tại nút nguồn Bằng cách này, sự gián đoạn trong quá trình truyền dữ liệu được kỳ vọng sẽ giảm thiểu đáng kể

Để xây dựng giao thức định tuyến theo yêu cầu QoS có nhận biết tình huống cho mạng VANET, cần có mô hình hóa bài toán tìm đường đa mục tiêu bằng một mô hình toán học Đó chính là bài toán tìm đường đa mục tiêu MCP đã được trình bày trong Chương Đồng thời, nội dung của chương cũng đã trình bày về mô hình

SA cho Định tuyến QoS đa rằng buộc trong mạng VANET với 4 cấp độ khác nhau

CHƯƠNG 2 GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CÓ NHẬN BIẾT TÌNH HUỐNG THEO YÊU CẦU CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ SAMQ

Trên cơ sở các phân tích đánh giá đã nêu ở Chương 1, Chương 2 sẽ bình bày các vấn đề kỹ thuật chi tiết của giao thức định tuyến có nhận biết tình huống theo yêu cầu chất lượng dịch vụ SAMQ Các nội dung chính được trình bày trong chương bao gồm: các quy tắc ACS cho thuật toán định tuyến SAMQ; cấu trúc của các gói điều khiển định tuyến trong SAMQ; bảng định tuyến trong SAMQ và Thuật toán định tuyến SAMQ triển khai mô hình SA

2.1 Quy tắc ACS

Trong thuật toán ACS [9], một số gói tin điều kiển mô phỏng hoạt động của loài kiến sinh học đã được xây dựng để tối ưu hóa và trao đổi thông tin về chất lượng tuyến đường Trong đó, sơ đồ truyền thông bao gồm ba quy tắc cơ bản: (1) quy tắc lắng đọng pheromone, (2) quy tắc chuyển đổi trạng thái và (3) quy tắc phân rã pheromone Thuật toán định tuyến SAMQ [3] sử dụng và mở rộng và điều chỉnh các quy tắc ACS cho phù hợp với các đặc điểm riêng của mạng giao thông và để giảm trễ Ngoài các quy tắc ACS mở rộng, [3] đưa ra một quy tắc mới được gọi là quy tắc nhận thức QoS

2.1.1 Quy tắc lắng đọng pheromone

Mức pheromone τij trên một liên kết hoặc tuyến đường liên lạc giữa hai

phương tiện Ci và Cj cần được thiết lập để phản ánh chất lượng của liên kết hoặc tuyến đường đó đối với các ràng buộc QoS cho trước Lý do sử dụng mức pheromone là để định lượng các chỉ số QoS của liên kết hoặc tuyến đường và chuẩn hóa giá trị của chúng thành một đại lượng duy nhất Đại lượng này có thể được sử dụng để so sánh chất lượng của một tuyến đường với chất lượng của các tuyến đường khác Trong quá trình khám phá tuyến đường, khi gói tin kiến điều

khiển Ak di chuyển từ Ci đến Cj, nó lắng đọng một lượng pheromone τij trên liên

kết lij đã đi qua, được xác định theo công thức (6)

𝜏𝑖𝑗 = 𝑎𝑟(𝑙𝑖𝑗) + 𝑏 ∑ 𝐿𝑥

𝑤𝑥(𝑙𝑖𝑗)𝑚

trong đó a>0, b>0, và (a+b)=1 Lx là ràng buộc QoS và r(lij) là độ tin cậy của liên kết, được xác định bằng xác suất mà liên kết giao tiếp trực tiếp giữa hai phương tiện sẽ ở lại liên tục có sẵn trong một khoảng thời gian xác định Giả thiết

rằng τij được xác định dựa trên giả định về các liên kết giao tiếp hai chiều giữa các phương tiện để giá trị pheromone này được áp dụng khi một gói tin kiến điều

khiển di chuyển từ Cj đến Ci Theo cách này, mức pheromone của lij sẽ được xác

định theo tất cả các chỉ số QoS và giá trị độ tin cậy của liên kết Các tham số a và

b xác định tầm quan trọng tương đối của độ tin cậy của liên kết hoặc tuyến đường

so với các chỉ số QoS của nó Có thể xác định giá trị của a và b dựa trên bản chất

của dữ liệu được truyền Ví dụ, nếu ứng dụng muốn truyền dữ liệu video, đòi hỏi các tuyến đường có độ tin cậy cao ngoài các ràng buộc về băng thông và độ trễ

đầu cuối, ứng dụng có thể đặt a = 0,65 và b = 0,35 Trong số các tuyến đường

thỏa mãn các ràng buộc QoS, liên kết hoặc tuyến đường có có giá trị độ tin cậy cao nhất sẽ có độ ưu tiên cao hơn

Cần lưu ý rằng công thức xác định nồng độ pheromone trong (6) và hàm mục tiêu trong (3) cho phép thuật toán định tuyến SAMQ nhận một tập hợp các ràng buộc QoS khác nhau, bao gồm các ràng buộc kiểu cộng, kiểu nhân và kiểu tối thiểu Trong trường hợp có các ràng buộc kiểu nhân như tỷ lệ mất gói, có thể lấy logarit của chỉ số QoS kiểu nhân trên mỗi liên kết để biến đổi nó thành một chỉ số cộng Tuy nhiên, trong trường hợp hạn rằng buộc QoS kiểu tối thiểu, như

băng thông, SAMQ có thể được thiết lập để trả về P∈M(s,d) lấy giá trị lớn nhất

hoặc nhỏ nhất của rằng buộc QoS tối thiểu thay việc áp dụng công thức (2) và chọn tuyến đường tối đa hóa mục tiêu hàm theo công thức (3)

2.1.2 Các quy tắc chuyển đổi trạng thái

Trong khi tìm kiếm các tuyến đường khả thi, gói tin kiến sẽ chọn nút kế tiếp khi chúng đến các nút trung gian dựa trên cơ chế ngẫu nhiên được gọi là quy tắc

chuyển đổi trạng thái Khi gói Ak đến một nút trung gian Ci, nếu bảng định tuyến

RTi của Ci không chứa thông tin định tuyến đến đích d, gói Ak sẽ được Ci chuyển

tiếp tới các nút lân cận của nó Ngược lại, nếu tìm thấy đường, gói Ak sẽ chọn Cj

trong RTi là chặng kế tiếp hướng tới d theo công thức (7) để khai thác hoặc công thức (8) để thăm dò Các thông số U và U0 xác định tầm quan trọng tương đối của

khai thác so với thăm dò trong quy luật chuyển đổi trạng thái U là một giá trị số được tạo ngẫu nhiên từ phân bố đồng đều trong khoảng [0, 1] và U0 là một hằng

số được chọn từ 0 đến 1 Nếu U ≤ U0 thì Ak có xu hướng di chuyển tới các nút có

lượng pheromone lớn hơn và liên kết có thời gian tồn tại dài hơn, tức là chọn nút kiểu khai thác theo công thức (7)

𝑎𝑟𝑔 𝑚𝑎𝑥𝐶

𝑗∈𝑁(𝐶𝑖𝑑){[𝜏𝑖𝑗(𝑡)]𝛼[𝑇𝑖𝑗(𝑡)]𝛽} (7) Ở đây, τij(t) ≥ τ0 là mức pheromone của liên kết lij, trong đó τ0>0 là mức

pheromone ban đầu cho mỗi liên kết và Tij(t) ≥ 0 là khoảng thời gian tồn tại dự đoán của liên kết lij tại thời điểm t α và β là các tham số điều khiển tầm quan trọng

tương đối của mức pheromone so với thời gian tồn tại của liên kết được dự đoán N(Cid) là tập hợp các nút lân cận của nút Ci Mỗi nút trong số đó có một tuyến

đường đến đích d đã biết và chưa được gói Ak đến thăm Ngược lại, nếu U>U0, gói Ak sẽ có cơ hội khám phá các liên kết mới theo công thức (8)

trong đó pijAk là xác suất gói Ak chọn nút Cj làm chặng kết tiếp tính từ nút Ci

về phía nút đích d, và N(Ci) là tập tất cả các nút lân cận của nút Ci

Vì thuật toán định tuyến SAMQ được đề xuất để hoạt động trong mạng

VANET nên các tham số α và β trong quy tắc chuyển đổi ở (7) và (8) phản ánh tầm quan trọng của thời gian dự đoán liên kết tồn tại Tij(t) so với mức pheromone

τij(t) khi chọn nút tiếp theo để đi qua Theo (5), Tij(t) được xác định theo vị trí hiện

tại, vận tốc tương đối và hướng của cả hai phương tiện Do đó, điều quan trọng là gói tin điều khiển kiến phải đi qua các liên kết có thời gian tồn tại lâu hơn, đặc biệt là khi mật độ giao thông thấp Điều này có thể được thực hiện bằng cách gán

cho một β giá trị lớn hơn để gói tin điểu khiển kiến tránh khỏi việc đi qua các liên

kết dễ bị phá vỡ và vì thế sẽ tránh khỏi việc tìm kiếm các giải pháp kém chất lượng

Theo (7), khi tham số U0 có giá trị cao nghĩa là gói Ak thích chuyển tiếp sang các liên kết có lượng pheromone lớn hơn và thời gian tồn tại của liên kết dài hơn theo (7) Trong trường hợp này, xác suất khám phá các tuyến đường mới giảm

và thuật toán định tuyến SAMQ có thể bị đình trệ Ngược lại, khi U0 có giá trị nhỏ

thì sẽ mang lại cho gói Ak cơ hội khám phá các liên kết sâu hơn thay vì chỉ khai thác mức pheromone và đi theo đường mòn Trong mạng VANET, việc chọn giá

trị không đổi của U0 phụ thuộc vào trạng thái cấu trúc liên kết của mạng giao thông, chẳng hạn như mức độ động của môi trường và hiệu suất đạt được của thuật toán SAMQ Ví dụ: nếu mật độ mạng cao và cấu trúc liên kết ổn định (đường

cao tốc trong giờ cao điểm) thì nên chọn U0 có giá trị cao vì liên kết giao tiếp giữa các phương tiện tương đối ổn định Tuy nhiên, nếu hiệu suất của thuật toán định tuyến SAMQ giảm do đình trệ hoặc mật độ giao thông thấp, thì giá trị U0 nên được giảm xuống để cho phép kiến khám phá các tuyến đường mới Cách tốt nhất

là nên để thuật toán quyết định và điều chỉnh giá trị của U0 tùy thuộc vào hiệu suất đạt được của thuật toán và mứng động của cấu trúc liên kết mạng giao thông

2.1.3 Quy tắc bay hơi pheromone

Quá trình bay hơi pheromone là rất quan trọng để tránh sự hội tụ nhanh chóng về một không gian tìm kiếm dưới mức tối ưu và để khám phá các tuyến

đường mới Sau khi tạo M(s, d), cứ sau mỗi tex giây, mỗi nút sẽ giảm mức pheromone của tất cả các liên kết có thể sử dụng được của nó bao gồm cả là liên kết chính hoặc liên kết dự phòng, theo công thức (9)

𝜏𝑖𝑗(𝑡 + 𝑡𝑒𝑥) = {(1 − 𝜌𝑖𝑗(𝑡)) 𝜏𝑖𝑗(𝑡) 𝑛ế𝑢 0 < 𝜌𝑖𝑗(𝑡) < 1

0 𝑛ế𝑢 𝑛𝑔ượ𝑐 𝑙ạ𝑖 (9)

trong đó τij(t) là mức pheromone tại thời điểm t, τij(t + tex) là mức pheromone

được cập nhật tại thời điểm (t + tex) và ρij(t) là tốc độ bay hơi trong đó 0 <ρij(t) <1

và được xác định theo công thức (10)

𝜌𝑖𝑗(𝑡) = 1 − √ 𝜏0

(10)

trong đó η là số lần đã áp dụng công thức (9) Cần lưu ý rằng khi liên kết đã thiết lập không còn giá trị sử dụng, tức là nó không còn đáp ứng các ràng buộc

QoS được yêu cầu, giá trị pheromone τij của nó được gán cho τ0 và quá trình bay hơi sẽ không được áp dụng nữa

2.1.4 Quy tắc nhận thức QoS

Các chỉ số QoS liên quan đến các tuyến đường được thiết lập hiện tại có thể thay đổi nhanh chóng và các tuyến đường có thể nhanh chóng trở nên kém hiệu quả hoặc thậm chí không khả thi trong VANET Do đó, [3] đưa ra quy tắc nhận biết QoS để hỗ trợ việc xác định tính khả thi liên tục của các tuyến đường được thiết lập bởi thuật toán định tuyến SAMQ và cập nhật các chỉ số QoS của chúng để tránh tình trạng đình trệ

Khi nút s bắt đầu truyền gói dữ liệu, quy tắc nhận biết QoS sẽ có hiệu lực Đối với mỗi nút thuộc một tuyến đường đã thiết lập P ∈ M(s, d), thông tin nhận

được qua các BSM được sử dụng để đánh giá lại các liên kết truyền thông và cập nhật mức pheromone của chúng Giả định rằng mỗi nút nhận biết được các ràng buộc QoS cần thiết cho các liên kết được thiết lập hiện tại trong bảng định tuyến

của nó Trong khi các gói dữ liệu được truyền từ s đến d, mỗi nút Ci sẽ tính toán

lại giá trị các chỉ số QoS của liên kết lij khi nhận được một BSM từ nút Cj như sau Nó tính toán mức pheromone mới 𝜏ij𝑛𝑒𝑤 bằng cách sử dụng công thức (6) Gọi

𝜏ij𝑐𝑢𝑟𝑟 là mức pheromone hiện tại Nếu 𝜏ij𝑛𝑒𝑤 > 𝜏ij𝑐𝑢𝑟𝑟 thì Ci tăng mức pheromone

trên liên kết lij để khẳng định sự hiện diện của nó theo công thức (11)

Cuối cùng, mức pheromone đã cập nhật được sử dụng để cập nhật tốc độ

bay hơi ρij(t) cho liên kết theo công thức (10)

Quy tắc này đóng một vai trò cơ bản trong việc thực hiện Cấp độ 4 - Hành

động trong mô hình SA (Hình 1.2) Dọc theo tuyến đường hiện tại từ s đến d, khi nút Ci nhận thấy rằng liên kết tiếp theo về phía nút d sắp ngắt kết nối hoặc giá trị

pheromone của nó giảm xuống bằng giới hạn pheromone (gần như bay hơi hoàn toàn), nó chuyển sang một liên kết hoặc đường dự phòng (nếu tồn tại) về phía nút

d Sau đó, nó sẽ gửi một gói điều khiển để thông báo cho nút s về sự chuyển đổi

đã xảy ra để nó có thể quyết định tiếp tục sử dụng tuyến đường dự phòng hay bắt đầu quá trình khám phá đường mới Trong mọi trường hợp, đường bị hỏng sẽ bị

loại bỏ khỏi M(s, d) Cần lưu ý rằng tiến trình này được thực hiện trong khi truyền

dữ liệu, nơi các liên kết hoặc tuyến đường dễ bị hỏng hoặc không khả thi được chủ động thay thế Tuy nhiên, khả năng gián đoạn quá trình truyền dữ liệu vẫn còn có thể khả năng xảy ra

2.2 Các gói điều khiển định tuyến và bảng định tuyến trong SAMQ

Để đáp ứng các yêu cầu của mô hình SA đã trình bày trong phần 1.3.2 (Hình 1.2), các gói tin điều khiển định tuyến (gọi là gói tin kiến) trong giao thức SAMQ đã được thiết kế hỗ trợ giao thức này truyền xử lý 3 yêu cầu định tuyến cơ bản là khám phá đường, trả lời đường và báo lỗi đường Ngoài các chức năng của gói tin điều khiển định tuyến thông thường, gói tin điều khiển trong giao thức SAMQ

được tích hợp các trường thông tin khác để có thể thực hiện để thông báo về việc chuyển đổi đường tại các nút trung gian Các gói tin điều khiển định tuyến trong giao thức SAMQ bao gồm: gói SARQ, gói SARP, gói SARE và gói SANA Mỗi gói này được gọi là kiến điều khiển

 Gói SARQ

Ngoài các trường mặc định của gói khám phá đường thông thường như địa chỉ nút đích và địa chỉ nút nguồn, các trường sau được bổ sung vào gói kiến điều khiển yêu cầu định tuyến SARQ:

 SARQ_Gen cho biết thế hệ kiến hiện tại Các thế hệ kiến khác nhau có thể

tham gia vào quá trình khám phá tuyến đường của cùng một điểm đến Trường này đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm tỷ lệ sinh sôi của

kiến Nếu nút Ci nhận được một gói kiến cùng thế hệ tìm đường đến cùng một đích, gói nào có đường t chỉ có thể được xử lý nếu nó có một tuyến tốt hơn tuyến hiện có Nếu không, nó sẽ bị loại bỏ Điều này góp phần làm giảm chi phí kiểm soát định tuyến trong SAMQ

 QoS_Metrics chứa độ tin cậy và số liệu QoS của tuyến đường mà SARQ

đã đi qua

 QoS_Constraints chứa các ràng buộc QoS cần được thỏa mãn Các ràng

buộc QoS này là cần thiết để tính toán giá trị pheromone của liên kết được duyệt

 QoS_Tolerance_Factors chứa các yếu tố dung sai nếu chúng được cho

phép Nếu không, trường này sẽ có giá trị rỗng

 Kinematic information: Thông tin động học chứa tọa độ, vận tốc hiện tại và

hướng đi của phương tiện tạo ra / xử lý SARQ

 Gói SARP

Đây là gói kiến điều khiển trả lời đường, được thiết kế để thiết lập các tuyến

chuyển tiếp tới d trên cơ sở chất lượng của các liên kết mà nó đã đi qua Ngoài

các trường của gói trả lời đường thông thường, gói SARP còn có thêm các trường sau đây:

 SARP_Gen cho biết thế hệ kiến hiện tại, phù hợp với thế hệ kiến được đưa

ra trong trường SARQ_Gen của SARQ, nơi đã tạo ra nó

 QoS_Metrics chứa giá trị độ tin cậy và số liệu QoS của tuyến chuyển tiếp

được tính toán tương ứng

 QoS_Constraints và QoS_Tolerance_Factors chứa thông tin giống như

thông tin được cung cấp trong gói SARQ tương ứng

 Gói SARE

Là gói kiến điều khiển dùng để báo lỗi định tuyến Gói này được thiết kế để thông báo cho các nút khác biết có sự kiện đứt liên kết đã xảy ra Nó di chuyển ngược từ nút gần liên kết lỗi nhất tới các nút nguồn Gói SARE chứa danh sách địa chỉ của các nút đích không thể tới được và danh sách các nút bị ảnh hưởng trực tiếp của liên kết bị đứt để tránh chuyển tiếp dữ liệu qua các đường đi tới hoặc đi qua các nút này

 Gói SANA

Đây là gói tin kiến điều khiển thiết kế để lưu vết của đường dự phòng đã

chọn và truyền thông tin quay trở lại nút s Nó chứa thông tin về liên kết hoặc

tuyến đường bị hỏng và chất lượng của tuyến đường dự phòng được thiết lập thay thế cho tuyến bị hỏng Với mục đích ngày, gói SANA chứa các thông tin tương tự như gói SARQ

 Bảng định tuyến

Bảng định tuyến cũng đóng một vai trò quan trọng trong thuật toán định tuyến SAMQ để định tuyến các gói dữ liệu và các gói điều khiển định tuyến đến

đích của chúng một cách hiệu quả Để đáp ứng các yêu cầu của thuật toán định tuyến SAMQ, ngoài các trường thường có trong các bảng định tuyến thông dụng, mỗi điểm truy cập biểu diễn một con đường trong bảng định tuyến của giao thức SAMQ còn có thêm các trường thông tin sau:

 QoS_Metrics chứa giá trị độ tin cậy và giá trị trọng số của mỗi ràng buộc

QoS được liên kết với mục nhập này

 QoS_Constraints chứa các ràng buộc QoS được sử dụng để ước tính mức

pheromone liên quan đến mục nhập này

 rt_pherm chứa mức pheromone liên quan đến mục nhập này được tính toán

theo các ràng buộc QoS đã xác định

 rt_evp chứa tốc độ bay hơi của con đường tương ứng Mỗi nút sử dụng

trường này để đảm bảo rằng pheromone của mỗi con đường sẽ bay hơi hết vào cuối thời gian tồn tại dự kiến của nó

 rt_state cho biết trạng thái của con đường, chẳng hạn như loại đường là

đường chính hay đường dự phòng Trường này được cập nhật khi phát hiện ra một tuyến tốt hơn về giá trị hàm mục tiêu của nó, được xác định theo công thức (3), hoặc khi đường chính bị lỗi và được thay thế bằng một đường dự phòng

2.3 Thuật toán định tuyến SAMQ

2.3.1 Mô tả thuật toán

Quá trình khám phá đường trong thuật toán SAMQ xác định tập hợp tất cả

các tuyến khả dụng giữa nút s và nút d được ký hiệu là M(s,d) = {P1(s,d),

P2(s,d),…, Pz(s,d)} Ngoài ra, mỗi nút trung gian Cv cũng xây dựng các đường của nó tới các nút lân cận theo cách tương tự

Khi nút s cần gửi dữ liệu nhưng không tìm thấy đường đến nút d, nó sẽ gửi

gói yêu cầu định tuyến SARQ tới các nút lân cận cách nó 1 chặng Gói SARQ bao

gồm thông tin động học của nút s cùng với các ràng buộc QoS, được yêu cầu đáp ứng bởi loại dữ liệu mà nút s cần gửi Các gói SARQ này được chuyển tiếp trong

mạng giao thông và đánh dấu các liên kết trên đường đi qua bằng một lượng pheromone phản ánh chất lượng của các liên kết hoặc tuyến đường cùng với độ tin cậy của chúng Tại mỗi nút, gói SARQ chỉ có thể tiếp tục nếu đường nó đã đi qua thỏa mãn các ràng buộc QoS theo công thức (1) hoặc công thức (4) theo điều kiện dung sai QoS cho phép

Nút d sau khi nhận được gói SARQ sẽ tạo ra một gói SARP rồi truyền ngược lại tới nút s theo vết của tuyến đường đã được tính toán Các gói yêu cầu tìm

đường thế hệ tiếp theo sẽ bị thu hút bởi các mức pheromone được gửi dọc theo các tuyến đường khả dụng đã tính toán để tiếp tục tận dụng thông tin về con đường phù hợp với các rằng buộc QoS đã được chọn

Giá trị của U và U0 sẽ xác định tầm quan trọng tương đối của cơ chế khai

thác so với cơ chế thăm dò; giá trị của α và β trong (7) và (8) xác định tầm quan trọng tương đối của Tij(t) so với τij(t) Các tham số này được sử dụng để xác định nút a mà gói SARQ sẽ tiếp tục đi tới Một tập các đường khả dụng M(s,d) thỏa

mãn các ràng buộc QoS cho trước được xây dựng sau khi các gói điều khiển SARQ và SARP hoàn thành chu trình di chuyển của mình

Thuật toán định tuyến SAMQ bắt đầu truyền dữ liệu sau khi một đường thỏa mãn các ràng buộc QoS được thiết lập để giảm độ trễ truyền và tăng tốc độ

hội tụ Sau đó, với mỗi lộ trình mới được thiết lập P ∈ M(s,d), nút s sẽ tính giá trị

F(P) tương ứng theo công thức (3) Thuật toán định tuyến SAMQ sẽ lựa chọn

tuyến đường tốt nhất trong số các tuyến đường đã thiết lập theo công thức (2) hoặc để tối thiểu/tối đa hóa giới hạn QoS tối thiểu nếu có

2.3.2 Thuật toán SAMQ

Thuật toán 1 minh họa mã giả của thuật toán định tuyến SAMQ khi tuyến tốt nhất được chọn dựa trên công thức (2)