Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Đánh giá chất lượng giao thức MAC IEEE 802.11P trong mạng Vanet

DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Minh họa hệ thống WAVE Hình 1.2 Chuẩn ứng dụng trên mỗi lớp OSI quy định bởi WAVE Hình 1.3 Sơ đồ kết hợp kênh Hình 1.4 Các khoảng thời gian trong một chu kỳ tr

NGUYỄN PHƯỚC TƯỜNG VÂN

ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG GIAO THỨC MAC IEEE 802.11P

TRONG MẠNG VANET

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Phạm Hồng Liên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 18/08/1989 Nơi sinh: TP.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203

I TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá chất lượng giao thức MAC IEEE 802.11p trong mạng VANET

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/02/2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2014

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tp HCM, ngày tháng năm 2014CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của nhà trường và các cá nhân Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới tất cả các tập thể, cá nhân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn này

Trước hết tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa TPHCM, Phòng Đào tạo Sau đại học và Khoa Điện – Điện tử của nhà trường cùng các thầy cô giáo, những người đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập

Với lòng biết ơn chân thành, tôi xin trân trọng cảm ơn PGS TS Phạm Hồng Liên, người đã chỉ bảo, hướng dẫn khoa học cho tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Đặng Ngọc Minh Đức đã luôn hỗ trợ và giúp đỡ tôi khi tôi gặp khó khăn suốt quá trình thực hiện nghiên cứu luận văn

Xin chân thành cảm ơn tất các bạn bè, đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý báu để tôi hoàn thành đề tài này

Do thời gian nghiên cứu có hạn, luận văn của tôi chắc hẳn không thể tránh khỏi những sơ suất, thiếu sót, tôi rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô giáo cùng toàn thể bạn đọc

Xin trân trọng cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hệ thống giao thông thông minh ITS hiện nay đang ngày càng phát triển, hướng đến việc nâng cao chất lượng, hiệu quả và độ an toàn của các phương tiện giao thông Do đó, việc giao tiếp giữa các phương tiện giao thông vô cùng quan trọng Chuẩn IEEE 802.11p được đưa ra để hỗ trợ cho việc gửi thông tin liên lạc giữa các phương tiện giao thông trong mạng VANET Trong đề tài này, tôi đưa ra cách đánh giá chất lượng giao thức IEEE 802.11p sử dụng Markov Chain 2D để mô hình hóa quá trình backoff trước khi gửi gói tin của mỗi node trong mạng Đề tài phân tích cho trường hợp có hai loại lưu lượng: Emergency và Service, trong điều kiện không bão hòa, sử dụng kênh đơn Kết quả từ mô hình phân tích đưa ra gần như chính xác với kết quả từ mô hình mô phỏng Có ba thông số đánh giá: tỷ lệ truyền gói tin Emergency, độ trễ trung bình khi truyền gói Emergency và tổng thông lượng gói Service Kết quả cho thấy IEEE 802.11p chưa cung cấp được độ tin cậy cao cho các gói Emergency và thông lượng cao cho gói Service khi tải mạng tăng lên

The main goal of the Intelligent Transportation System (ITS) is to improve the quality, effectiveness and safety of the future transportation systems The IEEE 802.11p defines the transmission parameters to provide communications in VANET My work aims to propose an analytical model for IEEE 802.11p in unsaturated traffic condition, with one channel The proposed model is validated for its accuracy by simulations in this thesis There are three evaluating parameters: Packet delivery ratio of Emergency traffic, Average delay of Emergency traffic and Throughput of Service traffic According to the performance analysis, the IEEE 802.11p does not provide the emergency broadcast realibility and the high service throughput The proposed analytical model can be used for analysis of large-scale scenarios or as the validation tool for different nework simulators to implement the IEEE 802.11p

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa được sử dụng để bảo vệ học hàm, học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được nhắc đến trong lời cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc

TP.HCM, ngày … tháng … năm 2014

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Phước Tường Vân

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 8

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 9

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 10

1.4.1 Các tính chất của Markov Chain 34

1.4.2 Markov Chain trong không gian trạng thái rời rạc 35

1.4.3 Các ứng dụng Markov Chain 35

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH PHÂN TÍCH 38

2.1 NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 38

C2C-CC Car to Car Communication Consortium / GeoNet CALM Continuous Air Interface for Long to Medium range

DCF Distributed Coordination Function

DSRC Dedicated Short Range Communication

EDCA Enhanced Distributed Channel Access

GPS Global Positioning System

HVC Hybrid Vehicular Communication ICT Information and Communication Technologies

IEEE Istitute of Electrical and Electronic Engineers IETF Internet Engineering Task Force)

IPv6 Internet Protocol version six ISO International Standard Organization) ITS Intelligent Transportation Systems

IVC Inter-Vehicle Communication

LLC Logical Link Control MANET Mobile Ad hoc Network MIB Management information base MSDU MAC Service Data Unit NEMO Network Mobility

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PIFS PCF Interframe Space

PSID Provider Service Identifier

RCPI Received channel power indicator

RMA Resource Manager Application

RVC Roadside to Vehicle Communication

SIFS Short Interframe Space SME Station management entity SNAP Sub-Network Access Protocol) TCP/UDP Transmission Control Protocol / User Datagram Protocol UTC Universal Time Coordination

V2I Vehicle to Infrastructure V2V Vehicle to vehicle

VANET Vehicular Ad hoc Network WAVE Wireless Access and Vehicular Environment

WLAN Wireless Local Area Network

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Minh họa hệ thống WAVE

Hình 1.2 Chuẩn ứng dụng trên mỗi lớp OSI quy định bởi WAVE

Hình 1.3 Sơ đồ kết hợp kênh

Hình 1.4 Các khoảng thời gian trong một chu kỳ truyền

Hình 2.1 Quá trình truyền gói khẩn cấp và gói dịch vụ

Hình 2.2 Chuỗi Markov cho quá trình backoff của lưu lượng Emergency

Hình 2.3 Chuỗi Markov cho quá trình backoff của lưu lượng Service

Hình 3.1 Tỷ lệ gói tin Emergency truyền đi khi số node trong mạng thay đổi

Hình 3.2 Thời gian trễ trung bình của gói Emergency khi số node trong mạng thay đổi

Hình 3.3 Tổng thông lượng gói Service khi số node trong mạng thay đổi

Hình 3.4 Tỷ lệ gói tin truyền đi khi tốc độ đến của gói tin Emergency thay đổi

Hình 3.5 Thời gian trễ trung bình khi tốc độ đến của gói tin Emergency thay đổi

Hình 3.6 Tổng thông lượng gói Service khi tốc độ đến của gói tin Emergency thay đổi

Hình 4.1 Cơ chế truyền trên một kênh theo trục thời gian

Hình 4.2 Các bước truyền cho từng node theo trục thời gian

Hình 4.3 Phân chia các Zone trong khoảng thời gian cạnh tranh

Bảng 3.2 Các thông số mô phỏng ảnh hưởng số lượng node đến chất lượng mạng

Bảng 3.3 Tỷ lệ truyền gói tin Emergency khi số node thay đổi

Bảng 3.4 Thời gian trễ trung bình truyền gói Emergency khi số node thay đổi

Bảng 3.5 Thông lượng gói Service khi số node thay đổi

Bảng 3.6 Các thông số mô phỏng ảnh hưởng tốc độ đến gói Emergency lên chất lượng

Bảng 3.7 Tỷ lệ truyền gói tin Emergency khi tốc độ gói tin đến thay đổi

Bảng 3.8 Thời gian trễ truyền gói Emergency khi tốc độ đến gói Emergency thay đổi

Bảng 3.9 Thông lượng gói Service khi tốc độ đến gói tin Emergency thay đổi

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transportation Systems) hiện nay đang hướng đến việc ứng dụng các kỹ thuật thông tin truyền thông ICT (Information and Communication Technologies) nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả và độ an toàn của các hệ thống giao thông tương lai Nó quản lý tốt giao thông trong khu vực nội thành cũng như tăng tính an toàn trên đường cao tốc Ngoài ra, người dùng còn được trải nghiệm các ứng dụng thông tin giải trí thông qua việc truy cập băng thông Internet qua các kỹ thuật ITS ITS có hai loại truyền thông: giữa các phương tiện giao thông V2V (Vehicle to vehicle), hoặc IVC (Inter-Vehicle Communication); và giữa phương tiện giao thông với trạm cố định V2I (Vehicle to Infrastructure), hoặc RVC (Roadside to Vehicle Communication)

IVC dựa trên việc truyền thông trực tiếp giữa các phương tiện cá nhân, có thể cho phép sử dụng nhiều loại ứng dụng về hiệu quả giao thông và an toàn trên đường (vd: tránh va chạm, giúp sang đường, thu thuế điện tử, đỗ xe thông minh, quân sự) Trong khi đó, RVC chỉ dựa trên việc giao tiếp giữa các phương tiện và các trạm cố định ven đường Do đó, HVC (Hybrid Vehicular Communication) được sử dụng thay cho RVC HVC mở rộng phạm vi và chức năng của RVC

HVC định nghĩa các kịch bản giao tiếp cụ thể kết hợp cả hai loại truyền thông Các cơ chế phân phối MAC như các chuẩn IEEE 802.11x có thể là các chuẩn phù hợp cho MAC sub-layer của HVC Tuy nhiên, việc thay đổi liên tục thành phần mạng, đặc điểm môi trường truyền trong HVC, và các yêu cầu của mỗi ứng dụng cụ thể có thể khác nhau tùy thuộc vào MAC sub-layer hiện có

Đối với VANET (Vehicular Ad hoc Network), chuẩn IEEE 802.11p được cho là phù hợp với WAVE (Wireless Access and Vehicular Environment) IEEE 802.11p sử dụng giao thức MAC sub-layer EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) dựa trên chuẩn IEEE 802.11e có điều chỉnh; còn lớp vật lý giống như chuẩn 802.11a IEEE 802.11p hướng đến việc cung cấp cả hai loại truyền thông V2V và V2I trong phạm vi đến 1000m, có thể hoạt động với vận tốc 30m/s, và trong các môi trường khác nhau (vd: nội thành, vùng ven, nông thôn, đường cao tốc) IEEE 802.11p có thể hỗ trợ tốc độ truyền từ 3 đến 27 Mb/s với băng thông 10MHz, chỉ một nửa băng thông của chuẩn 802.11a

Phân tích chất lượng của MAC sub-layer trong chuẩn IEEE 802.11p vào việc ứng dụng trong các trường hợp cụ thể là vấn đề quan trọng Ngoài ra, để có thể đơn giản và giảm thời gian thực hiện và chạy mô phỏng đưa ra kết quả, đồng thời áp dụng cho các mô hình mạng tỷ lệ lớn, hoặc có một công cụ để đánh giá các kết quả mô phỏng mạng khác nhau, ta cần đưa ra một mô hình phân tích phù hợp, cụ thể trong đề tài này mô hình ứng dụng Markov Chain Đây chính là lý do tôi chọn nghiên cứu vấn đề này

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

 Sử dụng mô hình Markov cho quá trình backoff trong giao thức MAC IEEE 802.11p

 Mô phỏng cho thấy được sự ảnh hưởng của số lượng phương tiện giao thông và nhu cầu gửi gói tin trong phạm vi phủ sóng của một RSU (RoadSide Unit) đến thông lượng, độ trễ trung bình và hiệu suất khi truyền gói tin trong giao thức IEEE 802.11p

 So sánh kết quả đánh giá được thực hiện từ mô hình phân tích đưa ra trong đề tài và từ mô hình mô phỏng

3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: - IEEE 802.11p phân quyền ưu tiên cho các loại lưu lượng Mỗi loại lưu lượng

có thời gian chờ truyền gói tin khác nhau - Ứng dụng Markov Chain đưa ra công thức cho các thông số đánh giá chất

lượng mạng Phạm vi nghiên cứu:

- Mô hình phân tích đánh giá chất lượng cho chuẩn IEEE 802.11p cho hai loại lưu lượng: Emergency với độ ưu tiên cao và Service với độ ưu tiên thấp hơn - Markov Chain sử dụng để mô hình hóa quá trình backoff của mỗi loại lưu

lượng - Lưu lượng gói tin đến không bão hòa - Thực hiện truyền trên một kênh đơn với điều kiện kênh truyền lý tưởng - Thông số đánh giá: tỷ lệ truyền gói tin Emergency, độ trễ trung bình khi

truyền gói Emergency và thông lượng gói Service

3.2 Phương pháp nghiên cứu

 Tìm hiểu đặc điểm chuẩn IEEE 802.11p: physical layer, MAC sub-layer, cơ chế truy cập EDCA

 Tìm hiểu chuỗi Markov và sử dụng chuỗi Markov để mô hình hóa quá trình backoff trong giao thức truy cập của chuẩn IEEE 802.11p

 Sử dụng chương trình Matlab để mô phỏng mô hình nói trên và đưa ra kết quả đánh giá chất lượng từ hai phương pháp

Chương 2: Mô hình phân tích Trong chương này, tôi trình bày chi tiết về cách ứng dụng Markov Chain cho quá trình backoff của các node trước khi truyền dữ liệu Đồng thời chứng minh cụ thể từ sơ đồ đưa ra các công thức kết quả sẽ được dùng cho việc mô phỏng ra các kết quả ở chương sau

Chương 3: Kết quả mô phỏng Sau khi đã có kết quả chứng minh công thức từ lý thuyết, tôi thực hiện đánh giá giao thức theo mô hình phân tích đã nêu ở Chương 2 Đồng thời so sánh với kết quả khi thực hiện theo mô hình mô phỏng

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển Từ các kết quả ở Chương 3, tôi đưa ra kết luận về chất lượng giao thức, kết quả đánh giá theo phương pháp dùng Markov Chain và hướng phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày các kiến thức tổng quan về VANET, bộ chuẩn WAVE được thiết kế cho VANET, chi tiết giao thức IEEE 802.11p trong WAVE và khái niệm về Markov Chain sẽ được sử dụng cho mô hình phân tích ở Chương 2

1.1 VANET

Hệ thống vận tải thông minh ITS đưa ra những vấn đề cấp thiết trong an toàn giao thông Các bộ chuẩn (như IEEE, CALM và C2C-CC) cho ITS ảnh hưởng đáng kể đến việc đạt được mục đích về hiệu suất quản lý giao thông đường bộ thông qua các ứng dụng và các giao thức khác nhau Tỷ lệ tai nạn trên đường có thể giảm khi sử dụng các ứng dụng quản lý giao thông phù hợp ITS vẫn đang đưa ra những giải pháp quản lý giao thông nhằm tạo được hệ thống giao thông an toàn và chất lượng tốt hơn ITS cũng đưa ra những vấn đề an ninh liên quan đến các ứng dụng an toàn Các tổ chức như ISO (International Standard Organization), IEEE (Istitute of Electrical and Electronic Engineers) và C2C-CC (Car to Car Communication Consortium / GeoNet) đang thực hiện những đề án cho cấu trúc ITS

IEEE giới thiệu một lớp giao thức hoàn chỉnh cho bộ giao thức 1609 và gọi tên là WAVE (Wireless Access in Vehicular Environment) Chuẩn này chia thành các chuẩn phụ khác nhau để đảm bảo việc xử lý từng phần của các vấn đề khác nhau ở các lớp khác nhau Nó hỗ trợ các giao tiếp dành riêng cho phạm vi ngắn (DSRC – Dedicated Short Range Communication) WAVE có hai chế độ giao tiếp:

- Các ứng dụng an toàn (Non-IP)

- Các ứng dụng không an toàn dựa trên IPv6

Băng tần sử dụng là 5.9 GHz (ở Châu Âu là 5 GHz) Đề nghị của ISO đưa ra cho VANET là CALM (Continuous Air Interface for Long to Medium range) ISO CALM được thiết kế để giải quyết vấn đề về giao tiếp liên tục giữa các phương tiện giao thông và giữa các phương tiện giao thông với trạm cố định Khái niệm về CALM dựa trên khung giao tiếp kết hợp không đồng nhất để cung cấp giao tiếp liên tục cho user đang di chuyển Các đề tài khác nhau được thực hiện như COOPERS và SAFESPOT bao gồm khái niệm chính về CALM trong các nghiên cứu đó CALM đưa ra việc sử dụng các giao diện khác với việc sử dụng 802.11p đưa ra bởi WAVE

C2C-CC trở lại với công nghiệp xe hơi của Châu Âu Họ nghiên cứu các giao tiếp giữa các phương tiện giao thông và giữa phương tiện giao thông với trạm cố định, đặc biệt đối với các ứng dụng an toàn Họ đưa ra cấu trúc C2CNet cho các ứng dụng an toàn C2CNet kết hợp chặt chẽ bởi GeoNet trong cấu trúc toàn diện theo đề tài COMeSafety C2CNet dựa trên định tuyến địa lý, thêm vào đó là thiết kế unicast và broadcast được đưa ra bởi hai cấu trúc khác nhau C2C-CC giải quyết bài toán cho các ứng dụng an toàn và không an toàn Các ứng dụng không an toàn sử dụng IPv6 cho các kết nối không dây multihop để giao tiếp với các OBU, RSU và có thể truy cập internet cho các ứng dụng khác

IETF là nội dung một chuẩn khác cho mạng di động và được giới thiệu khái niệm về tính di động của mạng (NEMO – Network Mobility) trong MANET (Mobile Ad hoc Network) Các dự án khác nhau được bắt đầu từ các nước Châu Âu Ví dụ như NOW, COMeSafety, CVIS, SAFESPOT, COOPEERS, GST, GeoNet, FleetNet, GrooveSim, CARLINK…

Trong đề tài này, tôi tập trung phân tích giao thức 802.11p của IEEE Do đó, trong phần sau tôi xin nêu chi tiết đặc điểm bộ chuẩn WAVE của IEEE

1.2 WAVE

Các hệ thống giao thông thông minh bắt đầu phát triển từ những năm 1990, để tự động hóa sự tương tác giữa các phương tiện giao thông và các trạm gốc nhằm đạt được độ bảo mật cao, tiện lợi và hiệu quả Việc giao tiếp, nói chung, và kết nối mạng, nói riêng, là các yếu tố rất cần thiết trong việc cải cách các hệ thống này IEEE đã phát triển một cấu trúc hệ thống gọi là WAVE (Wireless Access and Vehicular Environment) để cung cấp mạng truy cập không dây giữa các phương tiện giao thông

1.2.1 Cấu trúc hệ thống WAVE

Ta có thể hình dung ba trường hợp ứng dụng sau:

 Một phương tiện hỗ trợ khẩn cấp, ví dụ xe cứu hỏa, chạy đến ngã tư Khi gần đến giao lộ, thiết bị vô tuyến trên xe sẽ gửi một tin nhắn đến các phương tiện gần đó để xin quyền ưu tiên lưu thông Máy tính tích hợp trên bất kỳ phương tiện nào nhận được tin nhắn sẽ báo động cho tài xế biết về tình huống khẩn cấp, sau đó, nếu cần thiết, phương tiện sẽ tự động giảm tốc độ để tránh va chạm

Khi lái xe đi du lịch cuối tuần trong trung tâm thành phố, bộ thu phát không dây trong xe sẽ nhận thông báo từ AP (Access Point) trong tòa nhà, giới thiệu về các bản đồ trên hệ thống định vị toàn cầu GPS (Global Positioning System) được cập nhật với thông tin về những điểm tham quan du lịch Sau khi nhận xác nhận từ những hành khách quan tâm, bộ thu phát sẽ tải bản đồ xuống thiết bị trên xe

Trên đường đi làm và sử dụng hệ thống tiếng nói trên xe, khách hàng có thể kết nối với ứng dụng Calendar trên Web để nghe lịch làm việc của ngày hôm đó

Bảng 1.1: Các dịch vụ WAVE cung cấp

Quản lý du lịch và giao thông Thông tin du lịch trước chuyến đi

Thông tin cho lái xe đang lưu thông Hướng dẫn đường đi

Điều khiển giao thông Quản lý tình huống lưu thông khẩn cấp Quản lý nhu cầu du lịch

Kiểm tra giấy thông hành Thông báo giao lộ giữa đường cao tốc và đường ray xe lửa

Quản lý giao thông công cộng Quản lý giao thông công cộng

Thông tin về đường đang lưu thông An ninh du lịch công cộng

Quản lý trường hợp khẩn cấp Thông báo khẩn và an toàn cá nhân

Quản lý phương tiện cấp cứu Ứng phó và sơ tán khi có thảm họa Các hệ thống an toàn trong các phương

tiện cao cấp

Tránh va chạm trước, sau Tránh va chạm bên hông Tránh va chạm tại giao lộ Báo trước để tránh vụ tai nạn đã xảy ra Thiết lập tự động trên phương tiện

Quản lý xây dựng và tu bổ Các hoạt động xây dựng và tu bổ

Trường hợp đầu tiên là ví dụ cho ứng dụng an toàn công cộng, hay còn gọi là giao tiếp giữa các phương tiện giao thông với nhau V2V (Vehicle to Vehicle) hoặc có thể gọi là IVC (Inter-Vehicle Communications) Hai trường hợp còn lại là ứng dụng cá nhân, hay còn gọi là trao đổi thông tin giữa phương tiện giao thông và các trạm cố định V2I (Vehicle to Infrastucture) hoặc tên gọi khác là RVC (Roadside to Vehicle Communications) Trường hợp thứ ba là đặc trưng cho việc truy cập Internet đơn thuần Đây là ba trường hợp đặc trưng của WAVE Ngoài ra còn có một số trường hợp khác được nêu trong Bảng 1.1

1.2.1.1 Các thành phần trong hệ thống WAVE

Hệ thống WAVE bao gồm các thành phần như Hình 1.1 Các trạm cố định RSU (Roadside Unit) thường được đặt trong các trụ đèn giao thông, trụ biển báo…; chúng có thể thay đổi vị trí (ví dụ như được vận chuyển đến công trường xây dựng) nhưng không thể hoạt động trong quá trình vận chuyển Các thiết bị di động OBU (Onboard Unit) được tích hợp trong các phương tiện giao thông và có thể hoạt động trong khi di chuyển Các thành phần trong WAVE hoạt động độc lập nhau, trao đổi thông tin qua một kênh vô tuyến cố định gọi là kênh điều khiển CCH (Control Channel) Tuy nhiên, chúng cũng có thể tự tạo thành các mạng nhỏ, gọi là WBSS (WAVE Basic Service Set), giống như các bộ dịch vụ định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.11 WBSS có thể chỉ bao gồm OBU, hoặc cả OBS và RSU (Hình 1.1) Các thành phần trong một WBSS riêng trao đổi thông tin qua một trong các kênh vô tuyến gọi là kênh dịch vụ SCH (Service Channel) Thông qua các cổng tương ứng, một WBSS có thể kết nối với mạng khu vực rộng (Hình 1.1)

1.2.1.2 Giao thức giao tiếp

Cấu trúc WAVE hỗ trợ hai bộ giao thức, như trong Hình 1.2 Trong thuật ngữ của mô hình OSI, cả hai đều như nhau ở lớp Physical và DataLink, và khác nhau ở lớp

Network và Transport Chuẩn WAVE không nêu cụ thể các lớp Session, Presentation và Application Tuy nhiên, chuẩn đưa ra hai yếu tố không dễ đáp ứng trong giới hạn của mô hình OSI: quản lý tài nguyên (Resource manager) và các dịch vụ đảm bảo (Security services) (Hình 1.2)

Hình 1.1: Minh họa hệ thống WAVE

Hai bộ giao thức được hỗ trợ bởi WAVE là IPv6 truyền thống (Internet Protocol version six) và WSMP (WAVE Short-Message-Protocol) Nguyên nhân ra đời hai bộ giao thức này là để thích nghi với các giao tiếp đòi hỏi độ ưu tiên cao và thời gian chính

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

WMEUDP/TCP

MLME PLME

Security servicesResource manager

OSI model layer 4OSI model

layer 3

OSI model layer 2

OSI model layer 1

Data

IEEE 1609.1IEEE 1609.2

IEEE 1609.3IEEE 1609.4

IEEE 802.11p

Hình 1.2: Chuẩn ứng dụng trên mỗi lớp OSI quy định bởi WAVE

Cấu trúc WAVE được dựa trên chuẩn IEEE 802.11, cụ thể là lớp thứ nhất và một phần lớp thứ hai của bộ giao thức trong Hình 1.2 Sự khác nhau giữa môi trường hoạt động của 802.11 WLAN (Wireless Local Area Network) và môi trường giao thông như các trường hợp được mô tả trong phần đầu, và qua đó cần cải thiện chuẩn 802.11 thành chuẩn mới gọi là 802.11p Tiêu chuẩn này không chỉ nêu rõ các bước truyền dữ liệu, mà còn nêu rõ các chức năng quản lý liên kết với các lớp tương ứng (như các khối quản lý lớp PHY [PLME] và lớp MAC [MLME] như trong Hình 1.2)

Không như các node trong WLAN truyền thống, các node WAVE có thể chia thời gian giữa CCH và SCH Vì thế, các lớp của giao thức WAVE có thêm một lớp phụ ở lớp hai của OSI, dành riêng cho việc điều khiển khi dùng đa kênh (bao gồm cả các chức năng quản lý) Lớp phụ này được nêu rõ trong IEEE 1609.4

Phần còn lại của lớp hai trong OSI là LLC (Logical Link Control) dựa theo chuẩn IEEE 802.2, sẽ được giới thiệu sau

Ở lớp ba và bốn của OSI, IEEE 1609.3 nêu rõ WSMP trước đó và giải thích cách kết hợp IPv6, UDP và TCP trong hệ thống Ngoài ra, nó còn định nghĩa bộ chức năng quản lý (gọi là WME – WAVE Manager Entity trong Hình 1.2) để cung cấp các dịch vụ mạng

Hai khối còn lại trong Hình 1.2 (khối quản lý tài nguyên và dịch vụ bảo mật) không dễ phối hợp trong cấu trúc phân lớp của mô hình OSI Hai khối này được quy định theo IEEE 1609.1 và IEEE 1609.2

1.2.2 Lớp PHY và MAC

Lớp PHY và MAC của WAVE dựa trên chuẩn IEEE 802.11a, đó là chuẩn IEEE 802.11p Có nhiều thuận lợi khi WAVE dựa theo 802.11, vì đây là chuẩn ổn định, được hỗ trợ bởi các chuyên gia về kỹ thuật Wireless Việc đảm bảo liên lạc giữa các phương tiện giao thông cần một chuẩn ổn định cho các nhà mạng khác nhau và các trạm cố định

ở các vị trí địa lý khác nhau Tuy nhiên, ta cần một phiên bản khác của 802.11 vì một số yêu cầu hỗ trợ sau:

- Phạm vị hoạt động rộng hơn (lên đến 1000m) - Các phương tiện giao thông di chuyển với tốc độ cao - Bị ảnh hưởng mạnh bởi hiện tượng đa đường

- Nhiều mạng ad hoc chồng lên nhau với yêu cầu QoS cao - Đặc điểm của các ứng dụng

- Khung báo hiệu đặc biệt

Những thay đổi chính về yêu cầu và đặc điểm, và sự cải tiến cho 802.11p như sau:

- Các giao tiếp thực hiện trong môi trường mang tính di động cao - Các kênh với băng thông 10MHz; bằng một nửa tốc độ dữ liệu của 802.11 - Một kênh điều khiển và sáu kênh dịch vụ

- Chỉ có chế độ ad hoc - Địa chỉ MAC ngẫu nhiên - Độ chính xác cao khi có chỉ báo độ mạnh của tín hiệu nhận được - Sử dụng 16 QAM trong môi trường di động tốc độ cao

- Điều chỉnh mặt nạ phổ - Có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn - Điều khiển quyền ưu tiên

- Điều khiển công suất Tính di động cao và ảnh hưởng mạnh do đa đường là những thách thức trong hệ thống WAVE Nguyên nhân chính là kênh V2V hoặc V2I băng thông rộng được chọn gấp đôi Có nghĩa là đáp ứng tần số khác biệt đáng kể qua băng thông tín hiệu và dao động về thời gian trong một chu kỳ của ký tự Vì WAVE sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing),

những thay đổi này gây khó khăn cho thiết kế khi ước lượng kênh truyền và hệ thống nhận dạng tần số offset của node nhận

Bảng 1.2: Danh sách các giao thức trong các tầng giao tiếp WAVE [8]

N/A

WAVE security IEEE 1609.2 Kiểm soát định dạng tin nhắn bảo

mật và quá trình xử lý của chúng N/A

1.2.3 Hoạt động đa kênh

Các thiết bị WAVE phải phù hợp cấu trúc hỗ trợ cho một kênh điều khiển và nhiều kênh dịch vụ Việc điều phối kênh là một cải tiến đối với IEEE 802.11 MAC và tương tác với IEEE 802.2 LLC và IEEE 802.11 PHY Trong chuẩn này có bốn dịch vụ được

sử dụng để quản lý điều phối kênh và hỗ trợ truyền gói dữ liệu dịch vụ MAC (MSDU - MAC Service Data Unit) Dịch vụ định tuyến kênh điều khiển việc định tuyến các gói dữ liệu từ LLC đến kênh được chọn trong hoạt động điều phối kênh ở lớp MAC Dịch vụ ưu tiên người dùng để cạnh tranh truy cập môi trường truyền dùng cơ chế EDCA (Enhanced Distributed Channel Access) được kế thừa từ IEEE 802.11e Dịch vụ điều phối kênh điều phối các khoảng thời gian thay đổi kênh theo hoạt động đồng bộ kênh của lớp MAC để các gói dữ liệu từ MAC được truyền trên kênh tần số cao tần (RF – Radio Frequency) Cuối cùng là dịch vụ chuyển dữ liệu MSDU, gồm ba dịch vụ nhỏ: chuyển dữ liệu kênh điều khiển, chuyển dữ liệu kênh dịch vụ, và các dịch vụ chuyển dữ liệu Thiết kế của ba dịch vụ này liên quan hầu hết đến việc phân quyền ưu tiên cao hơn và truy cập trực tiếp đến WSMP, và MAC phải nhận dạng được loại gói dữ liệu (WSMP hay IP) được chỉ ra bằng EtherType khi thỏa thuận bằng header IEEE 802.2

Có hai loại trao đổi thông tin trong môi trường WAVE: các khung quản lý và các khung dữ liệu Các khung quản lý chính là các khung thông báo của WAVE, chỉ được truyền trên CCH Các khung quản lý khác của IEEE 802.11 có thể sử dụng SCH Đối với trao đổi dữ liệu, các khung dữ liệu chứa các gói tin ngắn WAVE (WSM – WAVE Short Messages) có thể được trao đổi giữa các thiết bị trên cả hai kênh CCH và SCH; tuy nhiên, các khung dữ liệu IP chỉ được phép truyền trên một kênh SCH và các trao đổi trên SCH cần các thiết bị tương ứng là thành phần của WBSS Đối với quyền ưu tiên của kênh điều khiển, bộ tham số EDCA được dành cho việc truyền dữ liệu WSMP Bộ tham số EDCA được xác định trước được dùng cho tất cả các thiết bị WAVE khi hoạt động trên CCH Đối với độ ưu tiên kênh dịch vụ, phải sử dụng các tham số EDCA được nhận trong các khung thông báo của WAVE gửi bởi nhà cung cấp Việc điều phối kênh sử dụng cơ chế đồng bộ được dựa theo thời gian đồng bộ toàn cục (UTC – Universal Time Coordination) Phương pháp này đảm bảo tất cả các thiết bị WAVE giám sát CCH trong suốt khoảng thời gian chung CCH Khi các thiết bị WAVE tham gia một WBSS, phương

pháp đồng bộ kênh này cũng đảm bảo các thành viên trong WBSS dùng đúng SCH tương ứng trong suốt khoảng thời gian chung SCH Tổng của hai khoảng thời gian này là khoảng đồng bộ

1.2.4 Các dịch vụ mạng

Trong chuẩn IEEE 1609.3, các chức năng có đặc điểm phù hợp với lớp LLC, Network, Transport của mô hình OSI, và chuẩn này gọi đây là các dịch vụ mạng WAVE (Hình 1.2)

Ta có thể phân loại các dịch vụ mạng WAVE theo chức năng thành hai loại:

- Các dịch vụ về dữ liệu với chức năng mang lưu lượng - Các dịch vụ về quản lý với chức năng cấu hình hệ thống và bảo trì

1.2.4.1 Các dịch vụ về dữ liệu

Đối với dữ liệu, cấu trúc WAVE hỗ trợ hai lớp giao thức: IPv6 truyền thống và WSMP Cả hai đều hoạt động bên trên lớp LLC Việc cấu hình song song giúp thích nghi với các giao tiếp có quyền ưu tiên cao và cần thời gian chính xác (thông qua WSMP), cũng như ít đòi hỏi, trao đổi cần giải quyết (thông qua UDP/TCP/IP)

Ở lớp LLC, các thiết bị WAVE phải thực hiện giao thức SNAP (Sub-Network Access Protocol), và chuẩn cho việc truyền các khung IP qua mạng IEEE 802 được nêu chi tiết trong RFC 1042

Các thiết bị WAVE phải thực hiện IPv6, như trong RFC 2460, UDF như trong RFC 768, và TCP như mỗi RFC 793 Các nhà phân phối mạng có thể tự do thực hiện bất kỳ IETF (Internet Engineering Task Force) nào đưa ra, miễn không gây cản trở việc giao tiếp với các thiết bị WAVE khác

Việc thực hiện WSMP phải hỗ trợ một chức năng chuyển tin nhắn ngắn Nhờ việc nhận gói tin WSM-WaveShortMessage.request từ ứng dụng nội bộ hoặc ứng dụng điều

khiển từ xa, WSMP kiểm tra được độ dài của WSM có hợp lệ hay không và cho qua lớp LLC để truyền trên đường truyền Nhờ chỉ báo nhận từ LLC của WSM nhận được, WSMP chuyển nó đến ứng dụng đích (nội bộ hoặc điều khiển) bằng gói thứ hai WSMWaveShortMessage.indication

1.2.4.2 Các dịch vụ về quản lý

Các dịch vụ về quản lý được định nghĩa trong IEEE 1609.3 còn gọi là WME, bao gồm các dịch vụ sau:

- Đăng ký ứng dụng - Quản lý WBSS - Kiểm tra việc sử dụng kênh - Cấu hình IPv6

- Giám sát chỉ báo công suất kênh nhận (RCPI – Received channel power indicator)

- Duy trì cơ sở thông tin quản lý (MIB – Management information base)

1.2.4.2.1 Đăng ký ứng dụng

Tất cả các ứng dụng muốn sử dụng dịch vụ mạng WAVE trước tiên phải đăng ký với WME Mỗi ứng dụng đăng ký với một PSID (Provider Service Identifier) Thông tin đăng ký được ghi lại trong ba bảng:

- Bảng ProviderServiceInfo: chứa thông tin về các ứng dụng cung cấp dịch vụ - Bảng UserServiceInfo: chứa thông tin về các dịch vụ liên quan đến các ứng

dụng phụ thuộc trong nội bộ node - Bảng ApplicationStatus: chứa những thông tin khác như địa chỉ IP, port của

ứng dụng cho mục đích thông báo khi chúng thuộc bên ngoài node

1.2.4.2.2 Quản lý WBSS

WME có nhiệm vụ chỉ báo một WBSS thay cho bất kỳ ứng dụng nào cung cấp dịch vụ Nó có thể yêu cầu một hoặc nhiều hơn các hoạt động sau:

- Thiết lập kết nối - Thêm hay xóa bớt ứng dụng từ WBSS động - Giới hạn WBSS

- Duy trì trạng thái của mỗi ứng dụng trong phạm vi của một WBSS

1.2.4.2.3 Kiểm tra việc sử dụng kênh

Mặc dầu chuẩn này không nêu rõ cách thực hiện, nó ủy nhiệm cho WME theo dấu các việc sử dụng kênh SCH để có thể chọn một kênh ít bị nghẽn khi cần thiết lập một WBSS

1.2.4.2.4 Cấu hình IPv6

Dịch vụ này để quản lý các địa chỉ kết nối cục bộ, toàn cục và multicast IPv6 của node được chỉ đến trong các IETF RFC tương ứng

1.2.4.2.5 Kiểm tra RCPI

Bất kỳ ứng dụng nào có thể thắc mắc về một thiết bị điều khiển về độ mạnh của tín hiệu thu WME gửi yêu cầu tương ứng phụ thuộc ứng dụng đó MLME của node điều khiển trả lời yêu cầu đó, chứ không phải WME

1.2.4.2.6 Duy trì MIB

WME duy trì một MIB chứa thông tin liên quan đến hệ thống và ứng dụng tương ứng Thông tin về hệ thống bao gồm thông tin mạng (router, gateway, và DNS, giữa các loại khác), thông tin địa chỉ (như địa chỉ MAC), và các giá trị khác, như port đăng ký, port chuyển tiếp, độ dài tối đa của WSM… Thông tin về ứng dụng bao gồm các bảng

ProviderServiceInfo, UserServiceInfo, và ApplicationStatus đã nói ở trên, cũng như thông tin kênh, về số kênh, tốc độ dữ liệu, và mức công suất truyền

1.2.5 Quản lý tài nguyên

Trong chuẩn IEEE 1609.1, ứng dụng WAVE được định nghĩa như quản lý tài nguyên (RM – Resource Manager), với mục đích cho phép truy cập đến tài nguyên giao tiếp hệ thống

RM cũng được đặt trong một RSU hoặc OBU Nó nhận các yêu cầu từ các ứng dụng chạy trong các máy tính được đặt điều khiển từ xa bởi các node chủ của nó Các ứng dụng này gọi là các ứng dụng quản lý tài nguyên RMA (Resource Manager Application) Mục đích của RMA là sử dụng tài nguyên của một hoặc nhiều OBU RM đóng vai trò như một trung gian giữa các RMA với OBU Một phần mềm gọi là RCP (Resource Command Processor) thuộc thẩm quyền của OBU thực hiện các lệnh gửi bởi RM thay cho RMA

Tóm tắt lại hoạt động của lớp RM như sau Mỗi RMA đăng ký với RM mà nó tương tác danh sách các tài nguyên phải sử dụng RM đăng ký với WME của node chủ như một nhà cung cấp Khi RMA chuyển sang active, các nhà cung cấp của WME khởi tạo WBSS và các thông báo với các thông tin thích hợp, có một RMA muốn sử dụng bộ tài nguyên đã định rõ WME của OBU nhận các gói thông báo sẽ báo cho RCP về RMA và danh sách các tài nguyên mong muốn Nếu có sự phù hợp trong các bộ tài nguyên mà nó quản lý, RCP sẽ yêu cầu WME của node của nó tham gia WBSS và đăng ký như một user Khi thực hiện xong, RCP sẽ trả lời cho RM RM sau đó sẽ thông báo cho RMA rằng đang có RCP có chứa tài nguyên mà ứng dụng yêu cầu Sự trao đổi giữa RMA và RCP bắt đầu theo cách của RM Điều này diễn ra đến khi RMA quyết định kết thúc, phát các lệnh thích hợp cho RCP xác nhận việc kết thúc

Các tài nguyên RMA có thể điều khiển bao gồm (không giới hạn): ghi/đọc dữ liệu, giao diện người dùng được bao gồm như một thành phần của OBU, các giao diện đặc thù đối với thiết bị phần cứng, và các thiết bị an ninh cho phương tiện kết nối với OBU Tất cả các tài nguyên này được đặt trong không gian bộ nhớ của node Các lệnh được phát bởi RM cho phép RMA đọc, ghi, đặt trước và phát từng phần của không gian bộ nhớ

Khái niệm RM làm giảm độ phức tạp của OBU bằng việc giải phóng chúng khỏi những yêu cầu của các ứng dụng thực thi trên phần cứng thiết bị của phương tiện giao thông Đây là cách đơn giản để giảm giá thành sản xuất, tăng độ tin cậy và thuận tiện cho các hoạt động giao tiếp giữa các thiết bị được sản xuất bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau

1.2.6 Các dịch vụ an ninh

Các ứng dụng WAVE phải đối mặt với sự ràng buộc về an toàn vì phạm vi hoạt động rộng Ví dụ, các ứng dụng an toàn cần thời gian chính xác, do đó, việc xử lý và băng thông phải ở mức tối thiểu Đối với các ứng dụng khác, các khán giả tiềm năng có thể bao gồm tất cả các phương tiện giao thông trên đường , vì thế, cơ chế sử dụng để xác thực tin nhắn cần linh hoạt nhất có thể Trong mỗi trường hợp, ta phải bảo vệ tin nhắn khỏi các vấn đề eavesdropping, spoofing, alterations, and replay Ta cũng phải cung cấp quyền riêng tư để tránh rò rỉ thông tin cá nhân, nhận dạng hoặc kết nối với các bên không được xác thực Trong chuẩn IEEE 1609.2, các dịch vụ an ninh cho lớp networking của WAVE và cho các ứng dụng có mục đích chạy qua các lớp Cơ chế cung cấp để xác thực gói tin không yêu cầu giấu tên và mã hóa các tin nhắn cho node nhận đã biết trước Các dịch vụ bao gồm mã hóa sử dụng public key và xác thực nặc danh Việc bảo mật (mã hóa tin nhắn cho một user cụ thể) tránh việc tin nhắn bị chặn hoặc bị thay thế Việc xác thực (xác nhận về nguồn gốc tin nhắn) và tính toàn vẹn (xác thực tin nhắn không bị thay đổi trong quá trình truyền) trách việc node nhận bị lừa nhận các tin nhắn sai Trong

WAVE, xác thực nặc danh cho user nhận cũng được yêu cầu Cơ chế mật mã cung cấp hầu hết các yêu cầu về an ninh và ba vấn đề chính là thuật toán secret key/symmetric, thuật toán public key/asymmetric, và hash function

1.3 IEEE 802.11P

IEEE 802.11p được thiết kế dành riêng cho WAVE nên ta có thể gọi chung là WAVE hoặc DSRC (Dedicated Short Range Communication) Đây là giao thức giao tiếp không dây dành riêng cho việc liên lạc giữa các phương tiện giao thông Những đặc điểm chuẩn IEEE 802.11p được phát triển từ các chuẩn IEEE 802.11a, e Đề tài này chỉ đề cập đến lớp PHY và MAC, những đặc điểm liên quan đến quá trình phân tích giao thức trong đề tài này

Như đã nói đến trong phần 1.1.1, hệ thống giao thông thông minh ITS (Intelligent Transport Systems) hiện nay có các trường hợp giao tiếp liên lạc chính như IVC và RVC IVC dựa trên việc giao tiếp trực tiếp giữa các phương tiện giao thông cá nhân để hỗ trợ cho các ứng dụng đảm bảo an toàn và lưu thông hiệu quả (ví dụ: tránh va chạm, hỗ trợ qua đường, đỗ xe thông minh…) Trong khi đó RVC chỉ đơn thuần là giao tiếp giữa các phương tiện giao thông với các trạm cố định Để mở rộng phạm vi và chức năng của RVC, người ta đưa ra hệ thống kết hợp cả hai trường hợp IVC và RVC là HVC (Hybrid Vehicular Communications)

HVC định nghĩa các trường hợp giao tiếp kết hợp cả ad-hoc và hỗ trợ giao tiếp với các trạm cố định Nếu chỉ xét về khả năng giao tiếp, bộ chuẩn IEE 802.11x có sẵn đã phù hợp với lớp MAC của HVC Tuy nhiên, việc các thành phần mạng thay đổi liên tục do các phương tiện giao thông không ngừng di chuyển với tốc độ cao làm ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ giao tiếp giữa các thành phần mạng Do đó IEEE 802.11p đưa ra để giải quyết vấn đề cho WAVE

Điểm khác biệt cơ bản giữa chuẩn 802.11p và các chuẩn Wifi 802.11 khác đó là khả năng truyền thông bên ngoài phạm vi của các dịch vụ cơ bản đã được thiết lập để cho phép truyền thông trong mạng Ad hoc có tính di động cao Đối với các chuẩn Wifi 802.11 thì phải mất thời gian khá dài để hình thành kết nối khi bắt đầu khung dữ liệu đầu tiên, điều này không được cho phép trong trường hợp muốn hình thành kết nối trao đổi thông tin giữa 2 phương tiện đang chuyển động ngược chiều nhau Các lớp MAC/PHY trong 802.11p cũng không hỗ trợ điều này, nhưng bù lại chúng được cung cấp bởi một trạm quản lý SME (Station Management Entity) hoặc được cung cấp bởi giao thức cấp cao hơn Trong trường hợp cần truyền thông Vehicle-to-X thì sử dụng các giao thức của chuẩn IEEE 1609 (IEEE 2006) sẽ có các thủ tục cần thiết Chuẩn IEEE 802.11p có thêm phương thức truyền thông bên ngoài một điểm dịch vụ cơ bản BSS (Basic Service Set) do đó chuẩn IEEE 802.11p có thể truyền thông ngay cả khi không biết trước hướng di chuyển của phương tiện giao thông

khung dữ liệu unicast được ghi nhận (đánh dấu) và có thể được truyền đến trước khi thiết lập tùy chọn khung dữ liệu theo kiểu RTS/CTS Khái niệm khung dữ liệu quản lý đặc biệt được đưa ra, đó là khung dữ liệu thông tin và định thời (timing and information frame) Khung dữ liệu này có chức năng “gợi ý” một cách nhanh chóng các đơn vị bên lề được phép quảng cáo thông tin về các dịch vụ Những thông tin có thể chứa nhãn thời gian và thông tin đồng bộ hóa thời gian, hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu hoặc thông tin bằng cách phối hợp các trạm tăng cường (EDCA), và có khả năng công bố dịch vụ của các lớp cao hơn

1.3.1 Lớp PHY trong 802.11p

Lớp PHY của 802.11p hoạt động ở tần số 5.9 GHz, rất gần với chuẩn 802.11a ở tần số 5 GHz PHY của 802.11p cũng sử dụng kỹ thuật truyền OFDM như 802.11a nhưng băng thông của một kênh giảm đi 10 MHz, giảm một nửa so với 802.11a Không giống như các ứng dụng truyền thống của Wireless LAN, tốc độ các node di chuyển chậm, trong môi trường liên lạc giữa các phương tiện giao thông, tốc độ di chuyển của các node ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạng Trải trễ cho đa đường có thể cao hơn, làm tăng nhiễu ISI khi băng thông cao Do đó, băng thông 10 Mhz là chọn lựa thích hợp cho môi trường liên lạc giữa phương tiện giao thông

1.3.2 Lớp MAC trong 802.11p

Các thông điệp và thông tin quan trọng trong việc truyền thông giữa các phương tiện giao thông để có thể di chuyển an toàn (vd: thông tin về va chạm, thông tin về đường đi…) phải được thông báo đến các phương tiện xung quanh để chúng biết khi có va chạm xảy ra trên đường Do đó, IEEE 802.11p có thêm chức năng EDCA (được sửa đổi dựa trên chuẩn 802.11e) có khả năng hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) tốt EDCA quy định các quy tắc truy cập trung gian thay cho DCF, EDCA xác định bốn loại AC khác nhau Ứng dụng tạo ra các bản tin sẽ gán cho mỗi khung dữ liệu một trong bốn AC tùy thuộc vào tầm quan trọng và khẩn cấp của nội dung khung dữ liệu Mỗi AC được

xác định bởi một chỉ số ACI (Access Category Index) được giữ ở hàng đợi khung dữ liệu của riêng từng AC Lớp truy cập trung gian có vai trò thiết lập các chỉ số ACI trên Hình 1.3 [9] đưa ra một kiến trúc tổng quan của EDCA trong truyền thông Vehicle-to-X: có hai loại kênh là các kênh điều khiển CCH (Control Channel) và các kênh dịch vụ SCH (Service Channel), mỗi kênh có bốn hàng đợi riêng biệt, mỗi hàng đợi lại có các tham số như trong Bảng 1.3 Số AIFSN (Arbitration InterFrame Space Number) thay thế DIFS cố định đã quy định tại các DCF Thời điểm cảm nhận môi trường truyền đang rảnh trước khi nó có thể được truy cập phải lâu hơn thời gian một khoảng SIFS, cụ thể

là số khe thời gian AIFSN Ngoài ra, giá trị CWmin và CWmax là các thông số riêng của từng AC Phân tích các giá trị đưa ra trong Bảng 1.3, các khung dữ liệu gửi với ACI=3 thì có cơ hội cao để truy cập môi trường sớm hơn do có giá trị AIFSN và CW nhỏ hơn khi backoff Tóm lại, khung dữ liệu có ACI = 0 có quyền truy cập thường xuyên, ACI = 1 được dự kiến cho nền trước giao thông nền, ACI=2 và ACI=3 được dự trữ cho các thông tin ưu tiên (vd: cảnh báo an toàn khi cần thiết) Tuy nhiên, không có ưu tiên chính xác: tranh chấp giữa các AC truy cập được giải quyết trong nội bộ, chỉ các khung dữ liệu có thời gian chờ thấp nhất mới thật sự tranh chấp môi trường truyền dẫn với các trạm khác Lưu ý rằng xung đột ‘nội bộ’ có thể xảy ra, trong trường hợp này, khung dữ liệu có mục truy cập cao hơn (có ACI thấp hơn) được ưu tiên

Trước khi đi vào mô hình mô phỏng của đề tài, tôi muốn trình bày các bước trong một chu kỳ truyền dữ liệu của một node Chu kỳ truyền được chia thành hai khoảng thời gian chính là khoảng thời gian cạnh tranh (contention period) và khoảng thời gian truyền dữ liệu (transmission period) như trong Hình 1.4 Khoảng thời gian cạnh tranh là khoảng thời gian các node giành quyền sử dụng kênh truyền Trong IEEE 802.11p, khoảng thời gian cạnh tranh lại được chia thành hai quá trình: cạnh tranh giữa các AC trong cùng một node bằng khoảng AIFS để giành quyền ưu tiên gửi gói tin, và cạnh tranh giữa các node trong mạng để giành quyền sử dụng kênh truyền bằng quá trình backoff Khoảng thời

gian truyền dữ liệu là khoảng thời gian thương lượng kênh giữa các node và gói DATA được truyền trên kênh

Hình 1.3: Sơ đồ kết hợp kênh

Hình 1.4: Các khoảng thời gian trong một chu kỳ truyền [3]

1.4 MARKOV CHAIN

Trong toán học, một Markov Chain hay Discrete Markov Chain (thời gian rời rạc), đặt theo tên nhà toán học người Nga Andrei Andreyevich Markov, là một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc với tính chất Markov Trong quá trình đó, quá khứ không liên quan đến việc tiên đoán tương lai mà việc đó chỉ phụ thuộc theo kiến thức về hiện tại

Markov Chain là một dãy X1, X2, X3, gồm các biến ngẫu nhiên Tập tất cả các giá trị có thể có của các biến này được gọi là không gian trạng thái S, giá trị của Xn là trạng thái của quá trình (hệ) tại thời điểm n

Nếu việc xác định (dự đoán) phân bố xác suất có điều kiện của Xn+1 khi cho biết các trạng thái quá khứ là một hàm chỉ phụ thuộc Xn thì:

𝑃(𝑋𝑛+1 = 𝑥|𝑋0, 𝑋1, 𝑋2, … , 𝑋𝑛) = 𝑃(𝑋𝑛+1 = 𝑥|𝑋𝑛) Trong đó x là một trạng thái nào đó của quá trình (x thuộc không gian trạng thái S) Đó là thuộc tính Markov

Một cách đơn giản để hình dung một kiểu Markov Chain cụ thể là qua một sơ đồ trạng thái hữu hạn (finite state machine) Nếu hệ ở trạng thái y tại thời điểm n thì xác suất mà hệ sẽ chuyển tới trạng thái x tại thời điểm n+1 không phụ thuộc vào giá trị của thời điểm n mà chỉ phụ thuộc vào trạng thái hiện tại y Do đó, tại thời điểm n bất kỳ, một Markov Chain hữu hạn có thể được biểu diễn bằng một ma trận xác suất, trong đó phần tử x, y có giá trị bằng 𝑃(𝑋𝑛+1 = 𝑥|𝑋𝑛 = 𝑦) và độc lập với chỉ số thời gian n (nghĩa là để xác định trạng thái kế tiếp, ta không cần biết đang ở thời điểm nào mà chỉ cần biết trạng thái ở thời điểm đó là gì) Các loại Markov Chain hữu hạn rời rạc này còn có thể được biểu diễn bằng đồ thị có hướng, trong đó các cung được gắn nhãn bằng xác suất chuyển từ trạng thái tại đỉnh (vertex) đầu sang trạng thái tại đỉnh cuối của cung đó