Nghiên cứu đánh giá các giải thuật định tuyến trong mạng VANET

Thông tin liên lạc được mở rộng với những lĩnh vực mạng di động tùy biến trong xe cộ Verhical Adhoc Network-VANET, đây là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào

MỤC LỤC

MỤC LỤC .i

LỜI CAM ĐOAN iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

ABSTRACT 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET VÀ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRÊN MẠNG 6

1.1 Khái niệm về mạng Adhoc 6

1.1.1 Một số đặc điểdm chính của mạng Adhoc 6

1.1.2 Ứng dụng mạng Adhoc 7

1.2 Giới thiệu mạng VANET 8

1.3 Các thành phần chính trong mạng VANET 9

1.4 Phân loại các giao thức định tuyến 11

1.4.1 Vai trò của định tuyến 11

1.4.2 Những thách thức chọn giao thức định tuyến 12

1.4.3 Giao thức định tuyến dựa vào topology 13

1.4.4 Giao thức định tuyến dựa vào vị trí (location) 17

1.5 Những vấn đề hiện tại của mạng adhoc 19

1.6 Một số vấn đề của lớp MAC trong mạng Adhoc 21

1.7 Kết luận chương 24

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ OFDMA VÀ ĐỀ XUẤT LỚP MAC CHO MẠNG VANET 25

2.1 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA 25

2.2 Nguyên lý cơ bản của công nghệ OFDMA 30

2.2.1 Hai chế độ làm việc cơ bản của hệ thống OFDMA 31

2.2.2 Ưu điểm của công nghệ OFDMA 32

2.3 Các phương pháp cấp phát kênh 32

2.3.1 Phương pháp cấp phát cố định OFDM-FDMA 32

2.3.2 Cấp phát ngẫu nhiên OFDM-FDM 33

2.4 Đề xuất lớp MAC cho Adhoc dựa vào công nghệ OFDMA 34

2.4.1 Giải quyết vấn đề node ẩn và node hiện thông qua cơ chế báo bận 34 2.4.2 Đề xuất phương pháp giải quyết vấn đề 35

2.4.3 Cơ chế cấp phát kênh dựa trên tín hiệu báo bận 36

2.4.4 Đề xuất kiến trúc lớp MAC dựa vào công nghệ OFDMA 37

2.5 Kết luận chương 48

CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT ĐỊNH TUYẾN KẾT HỢP VỚI LỚP MAC ĐỀ XUẤT CHO MẠNG VANET 49

3.1 Đặc điểm mô hình kết hợp các lớp trong mạng 49

3.2 Node chuyển tiếp (nexthop) trong mạng đa chặng 50

3.3 Mô hình giải thuật kết hợp trong mô phỏng mạng VANET đa chặng 52

3.4 Kết luận chương 54

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH KỊCH BẢN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET 55

4.1 Kịch bản Adhoc đơn giản 55

4.1.1 Mô hình kịch bản 1 55

4.1.2 Mô hình kịch bản 2 57

4.2 Kịch bản mạng Adhoc đa chặng 60

4.2.1 Mô hình kịch bản 60

4.3 Kết luận chương 63

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO: 65

LỜI CAM ĐOAN

Tôi, Nguyễn Danh Thắng xin cam đoan các kết quả nghiên cứu đưa ra

trong luận văn dựa trên các kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu thực sự của riêng tôi, không sao chép bất kỳ kết quả nghiên cứu của người nào ở bất kỳ nơi nào khác Nội dung trong luận văn có tham khảo và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí được liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo

Nguyễn Danh Thắng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AODV Adhoc On Demand Distance Vector Định tuyến theo yêu cầu về

khoảng cách AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng (nhiễu cộng)

CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo

mã

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái của kênh

truyền

số DSA Dynamic Subcariers Allocation Cấp phát kênh động

FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần

số FFT Fast Fourier Transform Chuyển đổi Furier nhanh

IEEE Institute of Electrical and Electronic

Engineers

Viện của các kỹ sư điện và điện tử

ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên kí tự

ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống nhiều đầu vào nhiều

đầu ra MMSE Minimum Mean Square Error Trung bình bình phương tối

QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ cầu phương

SNIR Signal to Interference-plus-Noise

Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu

SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời

gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời

gian

WiMax Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy cập

vi ba RTS/CTS Request To Send/ Clear To Send Yêu cầu gửi/yêu cầu xóa

GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing Giao thưc định tuyến GPSR

DSDV Destination Sequenced Distance

MANET Mobile Ad-hoc Network Mạng adhoc di động

Tx/Rx Transmiter/ Receiver Bộ phát/ Bộ thu

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình mạng Adhoc 6

Hình 1.2 Mô hình mạng VANET 9

Hình 1.3 Mô hình đầu cuối mạng VANET 10

Hình 1.4 IEEE ad-hoc Mode 11

Hình 1.5 IEEE ad-hoc mode khi triển khai định tuyến 12

Hình 1.6 Các giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc 14

Hình 1.7 Thuật toán mô phỏng giao thức AODV trong Matlab 16

Hình 1.8 Mô phỏng đơn giản định tuyến các node sử dung AODV 17

Hình 1.9 Minh họa cách chọn khoảng cách từ nguồn-nexthop 18

Hình 1.10 Vấn đề node ẩn (The hidden terminal problem) 21

Hình 1.11 Vấn đề node hiện (The exposed node problem) 23

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thông tin chung 25

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM 28

Hình 2.3 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA 29

Hình 2.4 Cấp phát dữ liệu đến các user 29

Hình 2.5 Sơ đồ khối hệ thống OFDMA 30

Hình 2.6 Hai chế độ làm việc cơ bản của hệ thống OFDMA 31

Hình 2.7 Phương pháp OFDM-FDMA thông thường 33

Hình 2.8 Cấp phát kênh dựa vào tín hiệu báo bận phát ra từ máy thu 35

Hình 2.9 Vấn đề về nhiễu CCI trong các hệ thống OFDMA/TDD 35

Hình 2.10 Công suất âm bận thu được tại máy phát 37

Hình 2.11 Cấu trúc khung lớp MAC 38

Hình 2.12 Thuật toán DSA 42

Hình 2.13 Phỏng tạo theo phương pháp Monte Carlo tần số Doppler 44

Hình 3.2 Giải thuật kết hợp định tuyến và DSA MAC cho VANET multihop 53

Hình 4.1 Kịch bản mạng Adhoc đơn giản 55

Hình 4.2 Kết quả với mức ngưỡng khác nhau 56

Hình 4.3 Mô hình kịch bản tính toán thông lượng trong mạng Adhoc 57

Hình 4.4 Mô hình kịch bản phối cảnh và mô hình toán học 58

Hình 4.5 Thông lượng kết nối giữa OBU1-RSU1 và OBU2-RSU2 59

Hình 4.6 Mô hình kịch bản đa chặng 61

Hình 4.7 Thông lượng mạng phụ thuộc số nodes 61

Hình 4.8 Mô hình kịch bản đa chặng 62

Hình 4.9 Kết quả mô phỏng thông lượng trong mạng Adhoc đa chặng 63

LỜI NÓI ĐẦU

Xuất phát từ những yêu cầu từ thực tế trong quá trình nghiên cứu và phát triển với xu thế phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin liên lạc và viễn thông Thông tin liên lạc được mở rộng với những lĩnh vực mạng di động tùy biến trong xe cộ (Verhical Adhoc Network-VANET), đây là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm mang lại hiệu quả trong việc điều khiển, kiểm soát trong ngành giao thông Để đạt được hiệu quả cao trong hệ thống mạng, giao thức định tuyến có vai trò tiên quyết trong một mạng Adhoc

Đặc biệt tác giả đi sâu nghiên cứu cho mạng VANET, kết hợp sử dụng phương pháp cấp phát kênh động (DSA) dựa trên nền công nghệ OFDMA hoạt động ở chế độ (TDD) với việc định tuyến xuyên tầng MAC-NET Phương pháp này cho phép mạng tái sử dụng toàn bộ tần số, tăng dụng lượng mạng đồng thời giảm nhiễu đồng kênh (CCI), giải quyết vấn đề node ẩn, node hiện trong mạng WLAN cũng như mạng Adhoc

Các kết quả hướng nghiên cứu trong phần này liên quan đến tính toán thông lượng mạng, tính toán các tham số liên quan…theo thuật toán đã đề xuất với mô hình kịch bản đưa ra cho mạng đơn node và multihop

Trong quá trình thực hiện luận văn này, mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu xót do nhận thức chưa đúng về một nội dung nào đó, nên em rất mong muốn được sự chỉ dẫn của các thày cô

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Hà Duyên Trung, PGS TS Nguyễn Văn Đức là những người đã trực tiếp hướng dẫn và góp ý sửa chữa, tận tình chỉ bảo để em có thể hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn các thầy

Đồng thời cũng cho tôi nói lời cảm ơn đến cha mẹ tôi và những người thân của tôi đã luôn sát cánh động viên, quan tâm, ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này Nhằm tạo những điều kiện thuận lợi cho tôi học tập

tu dưỡng phấn đấu để mà có thể thành người có ích cho xã hội

Xin chân thành cảm ơn!!!

Hà Nội, ngày 15 tháng 03 năm 2015

Học viên

NGUYỄN DANH THẮNG

ABSTRACT

In the master thesis, I have focused on research basic problems related to IEEE 802.11 standard, main problems such as hidden node, exposed node, congestion… Since then, I have given method to research and solution, proposed algorithms and simulation based on MATLAB programming Method Dynamic Sub-carrier Assignment (DSA) decentralized based on technology Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) applied widely for Cellular network and research for Adhoc network Method decentralized dynamic sub - Carrier assignment given to resolve hidden node, exposed node problems and improve throughput network in multiple access control (MAC layer) The method of research developed from algorithms decentralized for Cellular network, decentralize research model for Adhoc network, calculate parameters relating to throughput and improve throughput network more than different methods

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Tên đề tài: Nghiên cứu đánh giá các giải thuật định tuyến trong mạng VANET

Nội dung luận văn được chia thành 5 chương:

 Chương 1 Tổng quan về mạng VANET và giao thức định tuyến trên mạng Adhoc đa chặng

Trong chương này tác giả giới thiệu khái niệm về mạng Adhoc và những đặc điểm chính, ưu nhược điểm của nó Các ứng dụng trong cuộc sống của mạng Adhoc, một loại biến thể của Adhoc đó là mạng VANET là mạng Adhoc được nghiên cứu dành cho giao thông, các phương tiện xe cộ Tiếp theo đó tác giả trình bày những giao thức định tuyến được sử dụng, ưu nhược điểm của từng giao thức đó Cuối chương tác giả nêu những vấn đề hiện tại của mạng Adhoc và

đi sâu phân tích vấn đề trong lớp MAC

 Chương 2: Tổng quan về công nghệ OFDMA và đề xuất lớp MAC cho mạng VANET

Trong chương này tác giả giới thiệu chung về công nghệ OFDM cũng như OFDMA, đây là một công nghệ mới và hiện được sử dụng rất rộng rãi trong viễn thông Tác giả cũng trình bày những ưu nhược điểm cũng như việc cấp phát kênh sử dụng công nghệ OFDM Ở chương này tác giả tập chung chủ yếu phân tích và đề xuất lớp MAC cho mạng Adhoc dựa vào công nghệ OFDMA

 Chương 3: Mô hình xuyên tầng và đề xuất giao thức xuyên tầng MAC - NET trong mạng adhoc đa chặng

Trong chương này giới thiệu mô hình xuyên tầng và tác giả đề xuất giao thức xuyên tầng lớp MAC và NET trong mạng adhoc đa chặng Tác giả đi sâu nghiên cứu giao thức xuyên lớp, các maxtrix liên kết giữa các node và so sánh giao Thức định tuyến dữ liệu truyền thống

 Chương 4: Mô phỏng kịch bản và đánh giá kết quả định tuyến cho mạng VANET

Trong chương này tác giả xây dựng kịch bản mô phỏng và đánh giá kết quả định tuyến cho mạng VANET Từng bước mô phỏng, đánh giá với kịch bản đơn giản và các kịch bản mở rộng cho các node trong mạng có thể truyền thông trao đổi multihop

 Chương 5: Kết luận chung

Nội dung Chương 5 tổng kết lại mục đích của luận văn và những đóng góp

của tác giả, các hướng nghiên cứu mở rộng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET VÀ GIAO THỨC ĐỊNH

TUYẾN TRÊN MẠNG 1.1 Khái niệm về mạng Adhoc

Inter-vehice communications

1.1.1 Một số đặc điểm chính của mạng Adhoc

- Mỗi thiết bị tham gia trong mạng không chỉ đóng vai trò là một node đầu cuối mà còn hoạt động như một hệ thống trung gian

- Mọi nodes mạng đều có khả năng di động

- Các node di động sử dụng nguồn năng lượng pin có hạn

- Tôpô mạng thay đổi theo thời gian do sự di động của các nodes hoặc do địa hình, thời tiết, vật cản …

- Băng thông trong mạng hẹp

- Chất lượng kênh luôn thay đổi

- Không có thực thể tập trung, nói cách khác là mạng phân bố

Với đà hiện đại hóa của chung của thế giới, trong nông nghiệp cũng sẽ được trang bị hiện đại và sản xuất tự động, hiện đại Các cách đồng, các nông trường rộng lớn, sản xuất tập trung đã và đang xuất hiện Việc quản lý trên một phạm vi rộng như vậy, và nhất là công tác đi kiểm tra, khảo sát, nghiên cứu của nhân viên trên khu vực rộng lớn sẽ gặp khó khăn về khoảng cách cũng như cơ sở

hạ tầng hỗ trợ việc thông tin liên lạc Việc lắp đặt một hệ thống cơ sở hạ tầng cố định phục vụ cho trao đổi thông tin sẽ mất chi phí lớn, bên cạnh đó là chi phí về bảo trì sửa chữa, và nếu hệ thống có trục trặc thì công tác của nhân viên sẽ bị gián đoạn Vì vậy lựa chọn Adhoc ứng dụng vào là rất thực tế Các thiết bị đặt tại cánh đồng kết hợp cùng các thiết bị của nhân viên, đồng thời có thể với các thiết bị cố định của mạng truyền thống (LAN, WLAN, Internet) đem lại một mang kết nối tin cậy, nhanh chóng mà không tốn kém quá nhiều

Lĩnh vực giao thông: mạng Adhoc có thể ứng dụng rất nhiều trong việc

liên lạc giữa các phương tiện tham gia giao thông, trong việc tìm đường đi ngắn nhất … Các thiết bị nhúng đặt trên ô tô, xe máy, đặt cố định trên đường, kết hợp với các thiết bị di động cầm tay (PDA, mobile, laptop) tạo nên mạng Adhoc giao thông trải khắp các con đường Người tham gia giao thông có thể nói chuyện với nhau, thông tin về tình hình ách tắc giao thông, về các sự cố tại từng tuyến đường hoặc đơn giản là chuyển tiếp thông tin từ các trạm quan sát bên đường về trung tâm phục vụ cho việc thống kê, phân luồng

Lĩnh vực cứu hộ: với đặc điểm có thể thiết lập ở những nơi có địa hình

phức tạp và không cần cơ sở hạ tầng có sẵn, ứng dụng của mạng Adhoc trong những trường hợp cứu hộ, cứu nạn khẩn cấp là rất cần thiết Các nhân viên cứu

hộ liên lạc với nhau qua các thiết bị nhúng gắn sẵn trên người, thông qua các thiết bị di động khác hoặc qua các trạm đặt cố định triên hiện trường, mang lại hình ảnh và tin tức liên tục về diễn biến tại mọi nơi trên hiện trường

Lĩnh vực thương mại: mạng Adhoc có thể cho phép truy cập trực tiếp và

nhanh chóng tới cơ sở dữ liệu của các hệ thống bán hàng hay thực hiện các giao dịch…

Lĩnh vực giáo dục: chúng ta có thể xây dựng các lớp học ảo hay các

phòng hội thảo trực tuyến, xây dựng mạng lưới thông tin trong nội bộ trường cho các học sinh – sinh viên với các cán bộ giáo viên Nhằm mục đích thông báo tình hình học tập, trao đổi tài liệu hoặc quản lý việc đi học đúng giờ của học sinh – sinh viên

Lĩnh vực quân sự: ứng dụng trong việc tác chiến quân sự, liên lạc khi

đang tác chiến, tìm kiếm cứu hộ cho các chiến sĩ, rà phá bom mìn …

Ngoài ra còn có thể ứng dụng trong công tác khảo sát - thăm dò địa chất,

công tác bản đồ, công tác khảo cổ… [1]

1.2 Giới thiệu mạng VANET

VANET (Vehicular Ad-hoc Network, còn gọi là mạng xe cộ) là hệ thống

mạng được tạo thành từ các phương tiện xe cộ lưu thông trên đường mà không cần triển khai cơ sở hạ tầng Mỗi node mạng được được trang bị thiết bị thu/phát

để có thể liên lạc, chia sẻ và trao đổi thông tin lẫn nhau Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, tai nạn giao thông, nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như dịch vụ

đa phương tiện, Internet

Ngoài ra, mạng VANET còn có thể cung cấp liên lạc giữa các xe cộ ở gần nhau

và với các thiết bị cố định RSU (Road Side Unit) được gắn ở bên đường hoặc liên kết với hệ thống mạng cố định thông qua RSU

Mục đích chính của 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 thiết bị 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 với sự liên lạc đơn giản Mỗi thiết bị hoạt động trong mạng VANET có thể đóng vai trò là node mạng đầu cuối hoặc node trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây Khi có cảnh báo va chạm, các tín hiệu cảnh báo và các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc chọn đường tốt nhất Các kết nối đa phương tiện và Internet đều được tự động, tất cả đều do thiết

bị không dây trong xe thực hiện Thậm chí có thể tự động thanh toán các cước phí như lệ phí gửi xe, thuế đi qua cầu

OBU

Services

Inter-vehicle communications

RSU to vehicle communications

Hình 1.2 Mô hình mạng VANET

VANET cũng mang những đặc điểm chung của mạng Adhoc nhưng về chi tiết thì khác nhau, như tốc độ di chuyển các node nhanh hơn, nhưng xe cộ thì định hướng di chuyển theo một mẫu tổ chức Sự tương tác với các thiết bị bên đường khá chính xác, các xe cộ hầu hết có 1 vùng di chuyển ví dụ như các xe tải đường dài chạy trên cao tốc

1.3 Các thành phần chính trong mạng VANET

Các node mạng trong mạng VANET gồm có:

 OBU (on board unit): Các OBU trang bị trên phương tiện giao thông để thực hiện những chức năng của 1 phương tiện di chuyển

 RSU (road side unit): Các RSU đóng vai trò là node chuyển tiếp thông tin

từ OBU về server, đồng thời cũng đóng vai trò truyền các thông tin tại node

đó tới các OBU nếu cần

 Server: Đóng vai trò lưu trữ và quản lý tuyến đường, server có thể cung cấp

những thông tin mà người dùng mong muốn về vị trí một xe nào đó hay tình hình tuyến đường Điều này sẽ tạo điều kiện cho người quản lý tuyến đường

quản lý và điều phối hoạt động của tuyến đường đó dễ dàng hơn

INTERNET

RSU

user

Server

Hình 1.3 Mô hình đầu cuối mạng VANET

Server được kết nối mạng Internet và được đăng kí một địa chỉ xác định, chẳng hạn bằng một tên miền Các RSU sẽ truyền các bản tin vị trí của các phương tiện về địa chỉ này và dữ liệu được lưu trong cơ sở dữ liệu của máy server Server cũng sẽ có một website giao tiếp với cơ sở dữ liệu này, cho phép nhà quản lý cũng như người dùng theo dõi được từ xa vị trí của tất cả các phương tiện di chuyển trong mạng

Ngoài ra kết hợp với những giao thức định tuyến, báo hiệu mạng VANET cũng cho phép truyền cả những thông tin cảnh báo hướng dẫn đến từng người điều khiển phương tiện như tình trạng tắc đường, nguy hiểm, các hướng dẫn chỉ

đường,…[2]

 Các giải pháp cần nghiên cứu:

 Tiết kiệm năng lượng

 Sử dụng tài nguyên băng thông hợp lí

 Định tuyến tìm đường tối ưu

 Bảo mật trong mạng

 Hỗ trợ QoS

1.4 Phân loại các giao thức định tuyến

Hiện nay giao thức định tuyến chia thành 2 loại gồm: giao thức định tuyến dựa vào vị trí (location) và giao thức định tuyến dựa vào topology

Giao thức dựa vào việc xác định vị trí (location) nổi bật lên là phương pháp định tuyến LAR (Location Aided Routing), ở đó thông tin về vị trí vật lý cũng như vị trí địa lý cần được cung cấp của những node trong mạng

1.4.1 Vai trò của định tuyến

Khi triển khai mạng Ad-hoc với cơ chế mặc định là chúng ta chạy ở mode IEEE ad-hoc, việc kết nối trực tiếp giữa các thiết bị sẽ không gặp khó khăn gì Vấn đề nảy sinh là khi ta có mạng với nhiều node và có các kết nối node nguồn đến node đích thông qua một node trung gian chứ không phải kết nối trực tiếp Chuẩn IEEE mode ad-hoc không hỗ trợ việc kết nối đa chặng như trên, nhưng kết hợp với giao thức định tuyến có thể thực hiện được các kết nối đa chặng Hình vẽ dưới đây sẽ thể hiện sự khác nhau giữa IEEE ad-hoc mode với việc kết hợp sử dụng thêm phần mềm định tuyến

Hình 1.4 IEEE ad-hoc Mode

Hệ nhúng 1

Không có khả năng truyền qua nhiều nút trung gian

Hệ nhúng 3

Hệ nhúng 2

Để giải quyết vấn đề trên, đã có nhiều đề xuất về giải pháp định tuyến cho mạng di động tuỳ biến Các giao thức như thế phải giải quyết những hạn chế đặc biệt của mạng này, trong đó bao gồm các vấn đề như tiêu thụ công suất lớn, băng thông thấp và tỷ lệ lỗi cao

Một số yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc:

 Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc

vào node mạng điều khiển tập trung

 Đường định tuyến hở: Để nâng cao chất lượng hoạt động, thì giao thức

định tuyến cần đảm bảo đường định tuyến cung cấp là đường mở, điều này

sẽ làm giảm lãng phí băng thông và năng lượng tiêu thụ của CPU

 Hỗ trợ các liên kết một chiều: Kết hợp với các liên kết hai chiều làm tăng

chất lượng hoạt động của giao thức định tuyến

bảo an toàn thông tin trong quá trình định tuyến

 Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm tác động cho số lần thay đổi về cấu

trúc mạng và khi nhiều đường định tuyến bị nghẽn Một đường định tuyến

có sẵn sẽ giúp cho việc kết nối trở lại mà không cần phải định tuyến tìm đường khác

 Hỗ trợ QoS: Có nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức định

tuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng, chẳng hạn sự hỗ trợ thời gian thực …

Mạng VANET có đặc trưng là các thiết bị di chuyển với tốc độ cao hơn nhiều tốc độ người đi bộ, cho nên băng thông mạng suy giảm rõ rệt Trước thách thức như vậy, giao thức định tuyến trong mạng VANET phải có 1 số đặc điểm là giảm thiểu các gói tin truyền trong mạng và tốc độ định tuyến nhanh

1.4.3 Giao thức định tuyến dựa vào topology

Đối với loại giao thức trên cơ sở của topology, đây là loại giao thức được nghiên cứu và dùng phổ biến trong đó lại phân loại gồm phương pháp Reactive

và Proactive Phương pháp sử dụng thông tin về kết nối để chuyển tiếp các packets giữa các node trong mạng Giao thức đáng chú ý trong loại này là AODV, GPSR và DSDV

Với những đặc điểm như những thách thức trên thì giao thức proactive

không phù hợp do các thông tin về định tuyến được gửi định kì sẽ trở lên lãng

phí và tốn băng thông Bởi vậy giao thức thuộc loại reactive hoặc hybrid thường

lựa chọn nghiên cứu và ứng dụng trong mạng VANET [3]

Proactive Reactive Hybrid

Các giao thức định tuyến

Hình 1.6 Các giao thức định tuyến trong mạng Ad-hoc

Như hình vẽ trên chỉ ra cho thế hiện tại có rất nhiều giao thức định tuyến

có thể triển khai trong mạng VANET nhưng vẫn chưa có giao thức nào chiếm ưu thế Một số giao thức định tuyến đáng chú ý trong mạng VANET như:

 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector Protocol):

Là giao thức proactive, định tuyến theo bảng Hiệu quả tốt nhất khi các node di động với tốc độ thấp, Overhead gần như là hằng số bất chấp tốc độ di

chuyển hay lưu luợng tải Giao thức định tuyến vector khoảng cách tuần tự đích

 Thuộc loại Proactive

 Định tuyến theo bảng

 Quảng bá bằng cách flooding

 Hiệu quả khi node di chuyển với tốc độ thấp

 Overhead xấp xỉ hằng số

 AODV (Adhoc On Demand Distance Vector):

Là giao thức reactive, định tuyến theo yêu cầu Hiệu quả tốt ở tất cả các tốc

độ di chuyển của node, overhead vẫn chưa được tối ưu Giao thức định tuyến

vector khoảng cách theo yêu cầu

 Thuộc Reactive

 Định tuyến theo yêu cầu

 Hoạt động ở các node với tốc độ khác nhau

 Overhead nhỏ nhưng chưa tối ưu

 GPSR (Greedy perimeter stateless routing):

Là giao thức định tuyến khoảng cách với thuật toán định tuyến là Greedy

 Thuộc Reactive

 Là giao thức định tuyến khoảng cách với thuật toán định tuyến là Greedy

 Cơ chế tìm đường nhanh chóng và thuật toán đơn giản

Trong luận văn này không đi sâu vào phân tích các tham số như tỉ lệ mất gói, độ trễ, overhead… giữa các thuật toán định tuyến, vấn đề này được mô phỏng bằng những công cụ mạnh hơn như Ns2 hay Opnet…

Trong giới hạn nghiên cứu, chỉ xin đưa ra kịch bản mô phỏng đơn giản cho các node trong mạng với việc triển khai thuật toán AODV Thuật toán định tuyến AODV như đã nói ở trên là thuật toán định tuyến vector theo yêu cầu Adhoc On Demand Distance Vector (AODV) được sử dụng trong mạng Adhoc

Nó gồm cả 2 cơ chế unicast và multicast routing AODV là một giao thức thuộc nhóm Reactive routing, nghĩa là nó chỉ thiết lập tuyến khi có nhu cầu cho tuyến đường đó

Dưới đây xin đưa ra thuật toán và kết quả mô phỏng cho 10 node sử dụng AODV Kịch bản chỉ thiết lập cho các node tĩnh kết quả ứng với các tham số tiêu chuẩn mỗi node khác nhau, thuật toán sẽ tìm ra đường tối ưu nhất [4]

Thiết lập kết nối

Tìm đích dùng AODV Protocol

Kết nối trực tiếp nguồn-đích

-Xác định vị trí giữa các node -Hiển thị vị trí nodes

-Lưu thông tin về các nodes -Xác định độ tin cậy mỗi node

Hình 1.8 Mô phỏng đơn giản định tuyến các node sử dung AODV

Kết quả chỉ ra việc định tuyến giữa node nguồn Node 1 và node đích Node

10 dựa vào quá trình tìm đường gửi bản tin RREQ (blue) và định tuyến tìm đường nhận bản tin RREP (green) Cơ chế thực hiện tìm đường và tạo kết nối định tuyến dựa vào tính toán các tham số được chọn trên mỗi kết nối giữa các node với nhau, mà được gọi là tham số Trust đảm bảo cho các kết nối giữa các hop là ngắn nhất và tối ưu nhất Việc chọn các node trung gian sẽ thay đổi khi

Trust trên mỗi node thay đổi [5]

1.4.4 Giao thức định tuyến dựa vào vị trí (location)

Giao thức định tuyến dựa vào vị trí đóng vai trò hết sức quan trọng trong mang VANET đa chặng do đặc điểm các node mạng có tính linh động cao Việc lựa chọn ra một node trung gian (next-hop) để chuyển tiếp bản tin từ nguồn tới đích sẽ quyết định hiệu quả của việc định tuyến Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp chọn ra node next-hop nhằm mục đích

2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

23

4

5

67

 Phương pháp lựa chọn node chuyển tiếp nexthop

Trong một mạng phi tuyến VANET dày đặc, điển hình là mạng giao thông, số các phương tiện di chuyển và dừng lại là rất lớn, khoảng cách giữa các phương tiện là nhỏ và bề mặt đường không đổi Tuy nhiên định tuyến dựa vào vị trí trong một kịch bản ở thành phố thực sự là một thách thức lớn vì xu thế phân bổ không đều và thường xuyên của các node phương tiện, tính chất thay đổi nhanh và việc bắt tay kết nối rất khó khăn Hơn nữa, mạng adhoc đô thị có tính chất lớn và dày đặc nên có nhiều kết nối từ nguồn tới đích, do vậy giao thức để chọn vị trí có đường ngắn nhất thường được ưu tiên vì có số hop nhỏ thay vì chọn cách để đạt dung lượng lớn nhất

Phương pháp này cân nhắc cả về khoảng cách chuyển tiếp và chất lượng đường truyền để chọn ra node next-hop Trong phương pháp này, node chuyển tiếp được chọn là node có khoảng cách lớn nhất được ấn định trước trong số các node lân cận hàng xóm của nó

Hình 1.9 Minh họa cách chọn khoảng cách từ nguồn-nexthop

Trên hình 1.9 trên, S và D lần lượt là node nguồn và đích, N là next-hop và

C là node gần với D nhất Gọi Dnax là khoảng cách chuyển tiếp lớn nhất giữa node chuyển tiếp (node nguồn) và node next-hop Theo phương pháp này thì node lân cận với một môi trường nhận tốt và gần với node đích nhất được chọn

là node next-hop Như hình vẽ node nguồn S nhận N là next-hop của nó chứ không phải node C Tuy nhiên nếu sử dụng phương pháp chuyển tiếp greedy thì node C lại được chọn là node next-hop vì nó là node lân cận gần nhất với node đích thỏa mãn trong vùng phủ của S

1.5 Những vấn đề hiện tại của mạng adhoc

Trong phần này, tác giả giới thiệu chung cho các vấn đề đang còn tồn tại ở nhiều lớp khác nhau từ lớp vật lý, MAC, định tuyến, transport cho đến bảo mật Tuy nhiên tác giả sẽ đi sâu phân tích vấn đề về lớp MAC cho mạng Adhoc để từ đó sẽ

đề xuất một giải thuật mới cho lớp MAC để có thể giải quyết được vấn đề đó

 Vấn đề của lớp physical

Các thiết bị mobile được cung cấp năng lượng từ pin Các loại pin hiện nay

có rất nhiều hạn chế về công suất và thời gian sử dụng, do đó ảnh hưởng đến chất lượng mạng mobile ad-hoc

 Vấn đề của lớp MAC

Mạng mobile ad-hoc sử dụng đường truyền không dây và việc liên lạc giữa các thiết bị trong mạng có thể xẩy ra hiện tượng xung đột Hai hiện tượng phổ biến là hidden và exposed terminal Hai vấn đề này cần được giải quyết thông qua nghiên cứu và phát triển lớp MAC trong mạng

 Vấn đề của lớp routing

Trong mạng mobile Adhoc do topology luôn thay đổi, dẫn tới những khó khăn cho định tuyến giữa các node trong mạng Các giao thức định tuyến có thể được phân loại theo cách thực hiện, có thể là Unicast, Geocast, Multicast hay Broadcast

Trong mạng mobile ad-hoc, vai trò của Multicast còn quan trọng hơn nữa

vì nó tiết kiệm được bandwidth và energy thông qua việc phân phát các gói tin multicast Việc thực hiện multicasting trong điều kiện mạng thay đổi nhiều và nhanh là một thách thức lớn trong mạng mobile ad-hoc

 Vấn đề lớp transport

Trong mạng không dây do topology mạng thay đổi liên tục, các node rời khỏi và đến mạng luôn có khả năng xảy ra nên Error rate của mạng mobile ad-hoc thường rất lớn do các vấn đề về nhiễu, không phải do tắc nghẽn mạng Việc

sử dụng cơ chế back off để giảm tắc nghẽn không đạt được hiệu quả mà còn dẫn

đến suy giảm về băng thông và tăng trễ kết nối Do đó, giao thức TCP chuẩn sử dụng cho mạng có dây không thể áp dụng vào mạng Adhoc được

Một số nghiên cứu gần đây cho thấy lớp MAC và Network có ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất hoạt động của TCP và đặc điểm multihop routing của MANET cũng dẫn tới sự giảm sút về hiệu suất hoạt động Ví dụ như việc sử dụng lớp MAC tốc độ 2 Mbps theo chuẩn 802.11 cho thấy TCP throughput giảm tới 50% khi lưu lượng trong mạng chuyển từ one-hop tới two-hop path Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng khi số lượng hop nhỏ, throughput trong mạng giảm đi khi

số lượng hop tăng lên

 Vấn đề bảo mật

Trong mạng Adhoc, các node trao đổi với nhau thông qua các kênh vô tuyến mở và có tính chất broadcast nên kết nối có khả năng bị tấn công là rât cao Trong mạng mobile Adhoc, tấn công có thể xảy ra từ bất kì hướng nào và từ bất kì layer nào Một số khả năng tấn công có thể:

 Nghe trộm

 Tấn công từ chối dịch vụ (DDoS)

 Tấn công báo hiệu (Signaling attack): Nhân tố tấn công có thể gây thông tin định tuyến sai lệch để làm lệch traffic mạng hay làm định tuyến kém hiệu quả

 Tấn công lưu lượng: Người xâm phạm có thể làm trễ, sửa đổi, hủy tất

cả dữ liệu đi qua

 Tấn công làm cạn kiệt nguồn tài nguyên: Người xâm phạm có thể gửi

dữ liệu với mục tiêu làm tắc nghẽn mạng hay tiêu hao năng lượng

Có nhiều kĩ thuật chứng thực (authentication technique) được đưa ra nhằm mục đích làm chủ liên kết và bảo vệ dữ liệu Bên cạnh việc chứng thực thì việc mật mã dữ liệu cũng được sử dụng để đảm bảo tính bảo mật của dữ liệu được truyền đi Việc này thực hiện qua việc sử dụng encryption key và decryption key

1.6 Một số vấn đề của lớp MAC trong mạng Adhoc

Như mục trên, tác giả có đưa ra những vấn đề của lớp MAC khi truy nhập đường truyền trong môi trường truyền dẫn không dây Đó là các vấn đề về node

ẩn (hidden node: đơn giản là các node trong mạng không nhận ra nhau), hay node hiện (exposed node: khi mà một node nằm trong mạng ngăn cản node hàng xóm của nó truyền dữ liệu đi

 Vấn đề về node ẩn (hidden node problem)

Node ẩn (hidden node, hidden terminal) là node không nằm trong dải node

khác hay nhóm các node nào đó Đây là một vấn đề gây cản trở cho điều khiển

đa truy nhập trong mạng vô tuyến, thường gặp phải như trong mạng Wi-Fi, Adhoc

Hình 1.10 Vấn đề node ẩn (The hidden terminal problem)

Như hình 1.11, vấn đề này xảy ra khi 2 node A và node C đồng thời gửi

dữ liệu đến node B Nhưng trong đó không có một cơ chế phục vụ nào được thực hiện, không gửi đi tín hiệu cảm nhận sóng mang(CA) từ các node gửi Mà đơn thuần chỉ là việc tranh chấp đường truyền trong môi trường vô tuyến để cùng gửi

đi dữ liệu đến đích của mỗi node Như hình này, Node A và node C có thể thấy được node B nhưng chúng không thể ”nhìn” thấy nhau khi không có bất kì cơ chế nào được thực hiện Để khắc phục vấn đề này, quá trình bắt tay

thực hiện trong quá trình kết nối giữa các node với nhau với cơ chế CSMA/CA

(Carrier sense multiple access with collision avoidance: cảm nhận sóng mang

tránh va chạm) [6]

Trong mạng WLAN, vấn đề node ẩn dễ dàng quan sát được phổ biến trong khoảng bán kính trên 50m Khi đó nếu trong mạng có nhiều node cùng truy nhập môi trường chung thì khi đó có phương pháp giả quyết là việc định hướng anten phát (directional antennas) hay có chuẩn mới hơn trong như trong mạng

WiMAX là sẽ cấp phát từng khe thời gian (time slot) cho từng node hay user để

tránh việc gửi các gói đi đồng thời, nhằm đảm bảo tính công bằng (fairness)

trong môi trường vô tuyến

Một số phương pháp để giải quyết vấn đề node ẩn :

 Tăng công suất phát tới các node (Increase power to the nodes) : nhằm làm hạn chế các node ẩn

 Sử dụng anten phát định hướng(omni directional antennas)



 Vấn đề về node hiện (exposed node problem)

Vấn đề node hiện (exposed node, exposed terminal) xảy ra khi một node

này bị ngăn cản việc gửi gói tin đến các node khác trong khi một node khác lân cận đang phát

Với vấn đề node ẩn trên, giả thiết rằng node ẩn đã được giải quyết bằng cơ chế bắt tay RTS/CTS Nhưng cơ chế này nảy sinh một vấn đề mới đó là vấn đề node hiện như đã định nghĩa Để giải thích rõ hơn như trên hình vẽ, giả định rằng Node A muốn gửi dữ liệu đến node B

Hình 1.11 Vấn đề node hiện (The exposed node problem)

Khi đó, Node A sẽ phải gửi một bản tin RTS (Request to send) tới node B,

và đợi một khoảng thời gian để node B phát quảng bá đi bản tin CTS (Clear to send) Trong khi đó, giả sử Node D trong vùng Y(x) cũng muốn gửi dữ liệu đến node C nằm trong miền X(x)

Lúc này, node D cũng gửi bản tin RTS tới node C yêu cầu kết nối, và giả định quá trình này xảy ra trước khi node A gửi RTS tới node B

Vì vậy, node C cũng sẽ phát quảng bá bản tin CTS sau khi nhận được RTS

từ node D Chính bản tin CTS này được B “nghe” được và nó thiết lập luôn thời gian chờ “Backoff” cho việc gửi dữ liệu đến node A

Vậy bất kỳ một quá trình truyền đi nào của một node từ miền Y(x) đến node trong miền X (x) đều sẽ bị chặn bởi node A đang truyền dữ liệu đến node

B Mặc dù quá trình truyền từ miền Y đến miền X không gây bất cứ một ảnh hưởng nào đến việc gửi đi dữ liệu từ A đến B

Ta gọi miền Y(x) đó là miền node hiện ứng với cặp node A/B Ta có thể tính toán được miền Y (x) đó dựa vào lý luận và quan hệ hình học để xác định miền node hiện Để từ đó ta có thể mô phỏng được sự biến động của miền node

ẩn, node hiện và hiệu quả thông lượng của việc sử dụng cơ chế RTS/CTS [7]

1.7 Kết luận chương

Trong chương này, giới thiệu khái niệm về mạng Adhoc và những đặc điểm chính cũng như ưu nhược điểm của mạng Cũng như giới thiệu sâu về các giao thức có tính chất đặc thù trong mạng VANET, là mạng Adhoc được nghiên cứu dành cho giao thông, các phương tiện xe cộ Tiếp theo đó tác giả trình bày

so sánh những giao thức định tuyến được sử dụng đặc biệt là các giao thức định tuyến dựa vào topology và location, ưu nhược điểm của từng giao thức để có thể lựa chọn ra một giao thức phù hợp trong kịch bản sau này Cuối chương tác giả nêu những vấn đề hiện tại của mạng Adhoc và đi sâu phân tích vấn đề trong lớp MAC để từ đó sẽ đề xuất phương pháp giải quyết chúng ở trong những chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ OFDMA VÀ ĐỀ XUẤT LỚP MAC CHO

MẠNG VANET 2.1 Công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA

Đa truy nhập là một khâu trong hệ thống thông tin (HTTT) như mô tả trong hình dưới đây

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống thông tin chung

Tùy từng HTTT mà phát triển những công nghệ đa truy nhâp phù hợp nhằm đạt được những yêu cầu mong muốn trong truyền tải tin tức, ví dụ như việc sử dụng hiệu quả phổ tần… Các công nghệ này cho phép các hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân bổ tài nguyên một cách hiệu quả cho user Tuỳ thuộc vào việc sử dụng tài nguyên để phân bổ cho các user mà các công nghệ này được phân chia thành: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) là phương thức đa truy nhập kết hợp kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) và phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Kỹ thuật OFDM là một kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

Hệ thống điều chế OFDM được mô tả như hình 2.2

Nguồn bit được điều chế ở băng tần cơ sở thông qua các phương pháp điều chế như PSK (Phase Shift Keying), M-QAM (M_ary QAM) Tín hiệu dẫn đường được chèn vào mẫu tín hiệu, sau đó được điều chế thành tín hiệu OFDM thông qua bộ biến đổi IFFT và chèn chuỗi bảo vệ Luồng tín hiệu số sẽ được chuyển thành luồng tín hiệu tương tự qua bộ chuyển đổi số- tương tự trước khi truyền trên kênh vô tuyến qua anten phát Tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến bị ảnh hưởng bởi fading và nhiễu trắng

Tín hiệu dẫn đường là tín hiệu biết trước ở cả phía phát và phía thu, và được phát cùng với tín hiệu có ích với mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát

Sau khi nhận được dòng frame OFDM từ phía phát gửi tới, phía thu sẽ thực hiện đồng bộ để thu được chính xác frame OFDM đã gửi Sau đó sẽ tới công đoạn loại bỏ chuỗi bảo vệ rồi FFT kết quả thu được Tuy nhiên, do ảnh hưởng của nhiễu nên kênh truyền lúc này sẽ bị thay đổi và tín hiệu nhận được sẽ bị biến dạng

Do vậy để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền của kênh vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia thành hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là luồng tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ ước lượng kênh truyền và đồng bộ thời gian/ tần số Kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẽ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu Tín hiệu sau khi được khôi phục là dòng tín hiệu QAM Bởi vậy, ta tiếp tục giải điều chế ở băng tần cơ sở (QAM demodulation) để thu được dòng bít đã truyền đi ban đầu

Ƣu- nhƣợc điểm của hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM

Tách chuỗi bảo vệ

Giải điều chế

DAC

Chèn chuỗi bảo vệ

Tách mẫu tin dẫn đường

Khôi phục kênh

Khuếch đại

Kênh

ADC

Tách khoảng bảo vệ

: : : :

Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống thông tin sử dụng điều chế OFDM

Trong OFDMA, tín hiệu gửi tới các thiết bị đầu cuối được điều chế trên các kênh truyền (sóng mang phụ) và các khe thời gian (time slot) trực giao nhằm mục đích tránh nhiễu sóng

Hình 2.3 Dải băng tần sử dụng trong OFDMA

Dải băng tần trong hệ thống OFDMA được chia làm 3 phần chính:

 Dải băng tần bảo vệ

 Sóng mang con dùng để mang kí tự dẫn đường (pilot): có 2 loại pilot subcarrier là kí tự pilot có vị trí cố định và kí tự pilot có vị trí thay đổi Các kí tự dẫn đường được dùng để ước lượng kênh truyền tại phía thu

 Các sóng mang được sử dụng bởi các user, được dùng để mang dữ liệu của user [8]