ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC IEEE 802 11p TRONG VANETS (có code)

không dây giữa các xe, các trạm cố định trên các tuyến đường để tạo thành mộtmạng lưới, mọi giao tiếp thực hiện trong mạng, hệ thống sẽ giúp xe hơi có thể liênlạc với nhau để chia sẽ thô

ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC IEEE 802.11P

TRONG VANETS

AC Access Categories

ACI Access Category Index

AODV Ad-hoc On-Demand Distance Vector

AIFSN Arbitration Inter Frame Space Number

DCF Distributed Coordination Function

DIFS DCF Inter Frame Spaces

DNT Delay Tolerant Network

DSDV Destination Sequenced Distance Vector RoutingDSR Dynamic Source Routing

DSSS Direct Sequence Spread Spectrum

GSM Global System for Mobile

IEEE Institute of Electrical and Electronics EngineersIFS Inter Frame Spaces

IoT Internet of Things

ITS Intelligent Transportation System

LAN Local Area Network

LLC Logical Link Layer

LSB Location Based Service

MAC Media Access Control

MANET Mobile ad hoc Network

MIMO Multiple Input Multiple Output

MLME MAC Layer Management Entity

NAV Network Allocation Vector

NS3 Network Simulator 3

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingPCF Point Coordination Function

PDR Packet Delivery Ratio

PIFS PCF Inter Frame Spaces

PLME Physical Layer Management Entity

QoS Quality of Service

RA Registration Authority

SUMO Simulation of Urban Mobility

TCP Transmission Control Protocol

TLS Termination Proxy or SSL termination proxyTXOP Transmission Opportunities

UDP User Datagram Protocol

UMTS Universal Mobile Telecommunications SystemV2V Vehicle to Vehicle

V2I Vehicle to Infrastructure

VANET Vehicular ad-hoc Network

WAVE Wireless Access in Vehicular Environments

WSA WAVE Service Advertisement

WSMP WAVE Short Message Protocols

WIFI Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave AccessWLAN Wireless Local Area Network

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG VANET

1.1 GIỚI THIỆU

Ngày hôm nay, với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, điện tử viễnthông kết hợp với sự đa dạng về phong phú về phương tiện kỹ thuật đã tạo nênnhững hình thái phát triển liên tục phục vụ cho đời sống con người Thông tin liênlạc được mở rộng ở nhiều lĩnh vực hứa hẹn nhiều sự phát triển Với mật độ giaothông ngày càng tăng, nhu cầu sử dụng xe hơi cũng phát triển, do đó mạng di độngtùy biến trong xe hơi cũng là một lĩnh vực đang được các nhà phát triển nghiên cứu

và đưa vào sử dụng nhằm đem lại hiệu quả, những điểm nhấn mới trong bước pháttriển của xe hơi Để có thể hiểu hơn về sự phát triển cũng như những bước tiếntrong lĩnh vực này, tôi muốn giới thiệu cho người đọc tổng quan về những lý thuyết,khái niệm tổng thể về mô hình hệ thống mạng di động tùy biến trong xe hay cònđược gọi là VANET

1.1.1 VANET là gì

Hình 1-1: VANETs [1]

không dây giữa các xe, các trạm cố định trên các tuyến đường để tạo thành mộtmạng lưới, mọi giao tiếp thực hiện trong mạng, hệ thống sẽ giúp xe hơi có thể liênlạc với nhau để chia sẽ thông tin lẫn nhau, ví dụ như thông tin về giao thông, tìnhtrạng kẹt xe, tắt đường, những tai nạn phía trước hay những cảnh báo nguy hiểm.VANET sử dụng các công nghệ tiên tiến khi kết nối các liên lạc không dây vớinhau Những công nghệ này giúp ích rất nhiều trong việc phát triển đặc biệt là mạng

di động tùy biến trong xe hơi Công nghệ này được chia làm hai nhóm chính trong

đó có những công nghệ sử dụng diện tích bao phủ lớn như GSM, GPRS hoặcUMTS có băng thông vừa phải, ngoài ra còn sử dụng các công nghệ có diện tíchnhỏ như WLAN với băng thông lớn

VANET sử dụng nhiều kiểu công nghệ di động như WiFi IEEE 802.11, WiMAXIEEE 802.16, Blutooth, IRA, Zigbee để dễ dàng trong việc trao đổi, sự chính xáchiệu quả về thông tin giữa các xe với nhau

1.1.2 Ứng dụng của VANET trong đời sống

Một ứng dụng mạng trong xe hơi đòi hỏi giao tiếp không dây sử dụng các giao thứccủa mạng di động Hiện nay, có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng trongmạng di động như WLAN, GSM, mạng tùy biến Tùy theo yêu cầu của ứng dụngchúng ta có thể linh hoạt chọn ra các công nghệ phù hợp với hệ thống Qua đó ta cóthể chia các các ứng dụng ra làm hai loại:

• An toàn trong giao thông : Với những sử dụng hệ thống mạng di động tùybiến đảm bảo an toàn giao thông có thể được thực hiện khá triệt để khi hệthống sẽ cung cấp những vấn đề xảy ra trong quá trình tham gia giao thôngnhư sự chuyển hướng đi lại bất ngờ của một thành viên đang tham gia giaothông, những làn xe đang trống hoặc có tai nạn phía trước được thông tintruyền đạt đến toàn bộ các xe trong hệ thống giúp việc xử lý tình huống hiệuquả hơn

Hình 1-2: Ý TƯỞNG VỀ VANETs [2]

• Những ứng dụng khác: Ngoài những thông báo về giao thông, còn một điểmmạnh khác như cảnh báo cho người sử dụng có thể biết được việc mình đangvượt quá vi phạm trong các quy định khi lưu thông, quản lý được hoạt độngcủa xe, phân luồng, nhắc nhở những xe vi phạm Từ đó an ninh trên cáctuyến đường được củng cố tạo cảm giác an toàn khi lưu thông

1.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VANET

Như giới thiệu ở trên thì VANET là một phần trong mạng di động nó cung cấp giaotiếp cho những xe gần đó với những xe trong mạng lưới (V2V) và thiết bị cố định ởgần đó (V2I) Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu về mô hình tổng quan của hệthống VANET để hình dung được các vận hành của các thiết bị trong hệ thống

Hình 1-3: SƠ ĐỒ 2 TẦNG TRONG VANETs [2]

Một mạng lưới giao thông trong VANET gồm hai tầng chính Ở tầng trên bao gồmcác ứng dụng từ máy chủ ASs (Application Servers) và các điểm nối RSUs (RoadSide Units) Những ứng dụng máy chủ này có thể kết nối với các điểm truy cậpthông qua các kênh an toàn, chẳng hạn như lan truyền với các giao thức bảo mậtTLS (Termination Proxy or SSL termination proxy) với hai cách kết nối là sử dụng

phải được đồng bộ hóa về thời gian, xe có thể giao tiếp với nhau và có thể giao tiếpvới RSUs RSUs có khả năng tính toán cao hơn và độ tin cậy được xem như là tuyệtđối hơn vì toàn bộ dữ liệu của RSUs đã được ứng dụng máy chủ ASs xử lý và cungcấp.

Hình 1-4: XE HƠI GIAO TIẾP VỚI RSU BÊN ĐƯỜNG [2]

Hình trên minh họa cho ta thấy một hệ thống VANET điển hình gồm các xe đanglưu thông, các điểm truy cập bên đường và tập hợp tại một máy chủ Chia sẽ môitrường thông tin với nhau và với máy chủ thông qua các điểm truy cập

Hình 1-5: CHI TIẾT HỆ THÔNG VANETs [2]

Hình 1-5 mô tả chi tiết về hệ thống Khi một xe đăng ký sử dụng dịch vụ củaVANET, hệ thống sẽ cấp một mã an toàn (Cách phân biệt các xe với nhau trong hệ

sẽ có một mạch điều khiển và những thông tin về dữ liệu trong hệ thống mạng như:

Vị trí, tốc độ, thời gian,

Thông tin liên lạc được truyền giữa các xe với nhau và với các đơn vị cố định bênđường RSUs sau đó truyền lên ASs Tiếp đó, các máy chủ sẽ ghi dữ liệu có được từcác RSUs và xử lý chúng cùng với các thông tin từ trung tâm quản lý giao thông,các nhà sản xuất xe, trung tâm dự báo thời tiết, Máy chủ cũng sẽ cung cấp vị tríthông qua dịch vụ gọi là LSP (Location Based Service) Dịch vụ này sẽ có chứcnăng cung cấp đầy đủ cho mạng VANET toàn bộ thông tin để qua đó các xe sử dụngbiết được các thông tin cần thiết và xử lý hiệu quả

1.3 AN TOÀN THÔNG TIN

Với những ứng dụng ta đang xét trong VANET, ta phải chú ý đến tính bảo mật và antoàn của mỗi thông tin, thông điệp Ở đây chúng ta có thể phân loại thông tin thành

ba lớp: thông tin giao thông cơ bản, tin nhắn an toàn của hệ thống, trách nhiệm pháp

lý Thông tin giao thông được sử dụng để đưa ra tình trạng giao thông trong mộtkhu vực nhất định nên nó có những ảnh hưởng gián tiếp đến an toàn hệ thống nhưviệc ngăn ngừa những tai nạn tiềm tàng do tắc nghẽn Tin nhắn an toàn của hệ thốngđược sử dụng để tránh xa những tai nạn do đáp ứng nhu cầu nghiêm ngặt về sựchính xác do đó cần phải có sự ràng buộc tránh sự chậm trễ trong quá trình hoạtđộng Trách nhiệm pháp lý liên quan đến các tin nhắn được phân biệt từ các lớptrước vì nó cung cấp các thông tin liên quan đến trách nhiệm với những cảnh báohay thông điệp được gửi đi, vì thế mà trách nhiệm pháp lý đối với mỗi thông điệpphải được xác định thông qua những thông tin đăng ký của người gửi với cơ quanpháp lý Việc phân loại các tin nhắn này sẽ giúp ích khá nhiều trong khi phân tích sự

thì những dữ liệu này sẽ giúp tính toán vị trí xảy ra sự cố và xác định xem sự cố gặpphải là gì và qua đó sẽ truyền thông tin cho hệ thống.

Hệ thống VANET là một hệ thống rất có ích Tuy nhiên, do giao tiếp không dây, lạidùng 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 VANET, việc truyền tin tứcgiao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt nếunhư thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cốtrên giao lộ nhưng cũng có thể gây ra các tác động nguy hiểm không kiểm soát đượcnếu như thông tin do một xe truyền đi là không chính xác hoặc sai lệch Sở dĩ nhưvậy vì khi thiết bị mạng truyền thông tin thì sẽ được quảng bá và được trung chuyểnqua nhiều nút điều đó gây ảnh hưởng kiểu như "phản ứng dây truyền" Ngoài việctruyền tin tức, hệ thống mạng còn phải đối phó với những cuộc tấn công từ bênngoài vào Những kẻ tấn công có thể giả mạo tin nhắn và thông tin sai lệch gâynhiễu hệ thống và phá hỏng hệ thống Ngoài ra, chúng còn có thể lợi dụng các tintức thu được từ hệ thống về thông tin của các loại xe và vị trí của nó, sau đó giảmạo thông tin của các xe khác, đồng thời chúng có thể gian lận với bộ cảm biến làmsai lệch vị trí, tốc độ, hướng di chuyển,

Hình 1-6: XE DI CHUYỂN VÀO HẦM [2]

Do tín hiệu GPS biến mất trong đường hầm do cơ chế truyền LoS của GPS, một kểtấn công có thể khai thác điều này trong lúc xe tạm thời bị mất thông tin định vị đểbơm dữ liệu sai lệch khi xe ra các đường hầm và trước khi nó nhận được một bảncập nhật vị trí xác thực

1.4 CÁC THÁCH THỨC CỦA MẠNG VANET

VANET dựa trên các nút ban đầu để hình thành định tuyến và các chức năng quản

lý mạng, các hạn chế về di động, tốc độ cao tạo nên điểm khác biệt của VANET.Những đặc điểm này có ý nghĩa quan trọng trong thông tin liên lạc giữa các xe

• Vận tốc nút: Một trong những khía cạnh quan trọng của tính di động trongVANET là vận tốc nút thay đổi liên tục Trong trường hợp này, các nút biểuthị cho các thiết bị bên đường (RSU) Vận tốc nút có thể biến đổi từ 0 (Chocác RSU cố định hoặc các xe đang đứng yên, tắc đường) cho đến mức xechuyển động 200 km/h Đặc biệt, điều này gây ra thách thức lớn cho thôngtin liên lạc trong trường hợp tốc độ nhận thông tin của các nút không đáp ứng

đủ yêu cầu truyền sẽ dẫn đến việc trễ thông tin và trùng lấp thông tin vớinhau

• Mô hình chuyển động: VANET được đặc trưng bởi số nút Tính di động có

nhiều nhà bên đường nên truyền ad-hoc gặp nhiều hạn chế Đường nông thôn

- Những đường nông thôn thường lớn hơn đường thành phố, ít các nút giaothông, ít các tòa nhà cao tầng Một nút có thể nhanh chóng truy cập hoặcthoát ra trong một thời gian ngắn dẫn đến sự phân vùng và thay đổi liên kếtliên tục Điều kiện giao thông thường hạn chế hình thành mạng lưới do ítphương tiện trên đường Đường cao tốc - Đường cao tốc hình thành nhiều làn

xe, ở đây lưu lượng truy cập tốc độ cao

• Mật độ nút cao: Ngoài tốc độ và mô hình chuyển động, mật độ nút cũng làmột phần quan trọng của mạng VANET Trong một mạng, số lượng xe trongkhoảng vài chục đến hàng trăm Nếu xảy ra kẹt xe trên đường cao tốc vớibốn làn xe, mỗi xe cách nhau khoảng hai mươi mét và khoảng vô tuyến là batrăm mét, về mặt lý thuyết mỗi xe sẽ có một trăm hai mươi xe trong phạm vitruyền tin Trong trường hợp mật độ rất thấp, không thể ngay lập tức có thểtruyền tải được các bản tin, cần phải có biện pháp lưu trữ dữ liệu, chuyển tiếpthông tin khi xe

CHƯƠNG 2 GIAO THỨC KẾT NỐI KHÔNG DÂY IEEE 802.11

1.5 GIỚI THIỆU VÀ LỊCH SỬ

1.1.3 Giới thiệu

Mục đích của chuẩn IEEE 802.11 là cung cấp kết nối không dây cho các thiết bị,máy móc, STAs mà yêu cầu có thể thực hiện kết nối từ xa với các thiết bị cầm tayhoặc các thiết bị gắn trên các phương tiện di động

IEEE 802.11 là một phần của bộ giao thức LAN 802, nó tập trung vào lớp MAC(Media Access Control) và lớp vật lý PHY (Physical Layer) để thực hiện các giaotiếp không dây ở nhiều tần số và được giới hạn ở các dải tần khác nhau Là tiêuchuẩn mạng không dây được sử dụng rộng rãi trên thế giới và được sử dụng hầu hếttrong các gia đình, mạng văn phòng để cho phép các thiết bị máy tính xách tay, máy

in và điện thoại thông minh nói chuyện, truy cập internet mà không cần kết nối dây.Chúng được tạo ra và phát triển bởi hiệp hội các kỹ sư điện và điện tử IEEE, phiênbản cơ sở được phát triển vào năm 1997 và đã có những sửa đổi sau đó Các tiêuchuẩn và sửa đổi cung cấp cơ sở cho các sản phẩm mạng không dây khác nhau,những thay đổi này nhằm phù hợp với mục đích sử dụng, kết quả là trên thị trườngmỗi phiên bản có xu hướng trở thành tiêu chuẩn riêng của nó

Đối với truyền thông không dây, bộ chuẩn IEEE 802.11 sử dụng nhiều kênh truyền

ở lớp vật lý như IEEE 802.11b và IEEE 802.11g quy định ba kênh truyền không bịchồng lấn về băng tần cho việc truyền dẫn không dây, IEEE 802.11a dùng mười haikênh truyền khác nhau Tuy nhiên, giao thức truy cập kênh truyền (Media AccessControl MAC) lại chỉ thiết kế cơ chế truy cập đơn kênh

Hình 2-1: THÔNG SỐ CÁC CHUẨN TRONG HỌ 802.11 [3]

802.11-1997 là chuẩn mạng không dây đầu tiên trong gia đình, nhưng 802.11b làchuẩn đầu tiên được chấp nhận rộng rãi, tiếp theo là 802.11a, 802.11g, 802.11n và802.11ac Các tiêu chuẩn khác trong gia đình (f, h, j) là các sửa đổi dịch vụ được sửdụng để mở rộng phạm vi hiện tại của tiêu chuẩn hiện tại, cũng có thể bao gồm cácsửa đổi đối với thông số kỹ thuật trước đó 802.11b và 802.11g sử dụng băng tầnISM 2,4 GHz, 802.11n sử dụng băng tần 2,4/5 Ghz Do lựa chọn băng tần này, cácthiết bị 802.11b , g , n đôi khi có thể bị nhiễu trong băng tần 2,4 GHz từ lò vi sóng,điện thoại không dây và các thiết bị Bluetooth Do đó 802.11b và 802.11g kiểm soátnhiễu bằng cách sử dụng các phương pháp truyền tín hiệu phổ chuỗi trực tiếp DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum) và phương pháp truyền tín hiệu phân chia tần

số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) tương ứng.Chuẩn 802.11a sử dụng băng tần 5 GHz, thay vì băng tần ISM 2,4 Ghz chỉ cung cấp

3 kênh không bị chồng lấn Chuẩn 802.11p sử dụng các thông số cơ sở của 802.11a

để xây dựng hệ thống giao thông trong VANETs

1.1.4 Lịch sử

802.11-1997: Sử dụng tốc độ ban đầu 1 Mbps và 2 Mbps, 2,4 Ghz

802.11a: 54 Mbit/s, 5 GHz

802.11b: Nâng cấp từ 802.11 hỗ trợ tốc độ 5.5 Mbit/s and 11 Mbit/s (1999)

802.11c: Bridge operation procedures, included in the IEEE 802.1D standard(2001)

802.11d: Chuyển vùng giữa các quốc gia (2001)

802.11g: 54 Mbit/s, 2.4 GHz (2003)

802.11h: Quản lý dãi tần 802.11a (5 GHz) tương thích ở Châu âu (2004)

802.11e: Cải tiến thêm dịch vụ Qos (2005)

802.11n: Cải tiến thông lượng để sử dụng MIMO (Multiple Input, Multiple OutputAntennas) (Tháng 9 năm 2009)

802.11p: WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) truy cập mạng khôngdây cho môi trường xe cộ (Tháng 7 nằm 2010)

802.11ah: Giao thức cải tiến sử dụng trong giao thông thông minh ứng dụng cáccảm biến, hệ thống đo lường thông minh, (Tháng 12 năm 2016)

802.11ai: FILS (Fast Initial Link Setup) (Tháng 12 năm 2016)

802.11aj: CMW (China Millimeter Wave) (Tháng 2 năm 2018)

802.11ak: GL (General Links) (Tháng 6 năm 2018)

802.11aq: Pre-association Discovery (Tháng 7 năm 2018)

Giao thức MAC trong 802.11 [15] hoạt động ở hai chế độ là DCF (DistributedCoordination Function) và PCF (Point Coordination Function) PCF được hiểu nhưchức năng truy cập điểm AP (Access Point), một điểm điều phối các hoạt độngtrong mạng, còn DCF được hiểu ngược lại, tất cả các thành viên trong mạng đều cóquyền như nhau, việc trao đổi thông tin được sự chấp nhận của các thành viên vớinhau và không chịu sự quản lý cũng như giám sát của bất kỳ một điểm truy cập nào.Trong hệ thống giao thông giữa các xe cũng vậy, tất cả các xe đều có khả năng giaotiếp với nhau vì thế trong bài báo cáo này tôi sẽ tập trung vào cơ chế DCF cho hệthống VANETs.

Hình 2-3: MAC Coordination Functions

1.1.5 DCF

Sử dụng kỹ thuật CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance),gồm hai cơ chế là cảm nhận đa truy cập sóng mang và tránh xung đột, là mộtphương thức đa truy cập mạng trong đó sử dụng cảm biến sóng mang, các nút cốgắng tránh va chạm bằng cách chỉ truyền khi kênh được cảm nhận là nhàn rỗi.CSMA/CA như là nguyên tắc cơ bản khi truy cập kênh Khi có va chạm xảy ra, cácgói tin được quản lý theo quy tắc Back-off DCF mô tả hai kỹ thuật để sử dụng choviệc truyền gói tin, một cái mặc định là kỹ thuật Two Way Hand Shacking (Cơ chếtruy cập cơ bản), hai là Four Way Hand Shacking

• CS (Carrier Sense): Trước khi truyền, đầu tiên một nút lắng nghe phươngtiện được chia sẻ (Chẳng hạn như lắng nghe tín hiệu không dây trong mạngkhông dây) để xác định xem một nút khác có truyền hay không Lưu ý rằngvấn đề "Đầu cuối ẩn" có nghĩa là một nút khác có thể đang truyền mà không

bị phát hiện ở giai đoạn này

• CA (Collision Avoidance): Nếu có một node khác đang lắng nghe, node đó

sẽ chờ một khoảng thời gian cho đến khi kênh rỗi sẽ thực hiện tham gia kênhtruyền

Hình 2-4: THUẬT TOÁN CỦA CSMA/CA

CSMA hoạt động dựa trên sự cạnh tranh Các node sẽ cảm nhận môi trường trướckhi truyền gói dữ liệu Khi môi trường rãnh rỗi thì node sẽ tiến hành truyền gói dữliệu, ngược lại thì node sẽ chờ cho đến khi môi trường rỗi.

IEEE 802.11 định nghĩa ba khoảng thời gian được sử dụng gọi chung là IFS (InterFrame Spaces) và một đơn vị thời gian nhỏ là Time Slot

• Time Slot: Đơn vị thời gian

• SIFS: Short Inter Frame Spaces

• PIFS: PCF Inter Frame Spaces = SIFS + Time Slot

• DIFS: DCF Inter Frame Spaces = SIFS + 2* Time Slot

• SIFS < PIFS < DIFS

1.1.6 Two Way Hand Shacking

Hình 2-5: TWO WAY HAND SHACKING

Trạm gửi khi được tham gia kênh sẽ chờ một khoảng DIFS sau đó truyền Data, trạmnhận chờ một khoảng SIFS sau đó phản hồi gói ACK để xác nhận đã nhận được gói.[5]

1.1.7 Four Way Hand Shacking

Sau khi sử dụng CSMA để cảm nhận sóng mang các node sẽ tiến hành truyền nếukênh đang rỗi nhưng trong trường hợp đầu cuối ẩn thì sẽ xảy ra xung đột dẫn đến tắtnghẽn trên kênh truyền, hiện tượng đầu cuối ẩn xảy ra trong hai trường hợp sau

Hình 2-6: HIỆN TƯỢNG ĐẦU CUỐI ẨN

A muốn truyền cho B nhưng A không cảm nhận được C C cũng muốn truyền cho Bnhưng C không cảm nhận được A

Hình 2-7: HIỆN TƯỢNG ĐẦU CUỐI HIỆN

Trong trường hợp này cả A và C đều không cảm nhận được nhau B muốn truyền dữliệu cho A và C cũng muốn truyền dữ liệu cho D

Cả hai trường hợp trên đều sẽ xảy ra xung đột do đầu cuối bởi nằm ngoài khả năngcảm nhận khiến dữ liệu vào kênh cùng một lúc

Hình 2-8: FOUR WAY HAND SHACKING

Trước khi truyền gói tin, trạm sẽ gửi một khung RTS (Request To Send) cho trạmnhận Sau một khoảng thời gian SIFS, trạm nhận được RTS sẽ phản hồi một khungCTS (Clear To Send) báo hiệu có thể truyền Thêm một khoảng SIFS sau đó trạmgửi sẽ thực hiện gửi gói Data và ACK giống như two way hand shacking

Hai khung RTS và CTS mang thông tin về độ dài của gói tin được truyền đi Thôngtin này có thể được đọc bởi bất kỳ trạm nghe nào Do đó sẽ khắc phục được hiệntượng đầu cuối ẩn [5]

Hình 2-9: KHOẢNG NAV CỦA CÁC NODE LÁNG GIỀNG

B muốn gửi dữ liệu cho C sẽ truyền một khung RTS, C nhận được RTS sẽ phản hồiCTS lại cho B, B truyền dữ liệu cho C và kết thúc bằng khung ACK.Trong thời gian

B gửi RTS cho C cũng đồng thời làng giềng của B là A sẽ nhận được RTS, sau đó A

sẽ thiết lập thời gian NAV Tương tự như D, D sẽ thiết lập NAV khi thấy C phản hồiCTS cho B Như vậy A và D sẽ không tham gia truyền trong khoảng thời gian NAV.Việc này sẽ tránh được va chạm cho hiện tượng đầu cuối ẩn gây ra

1.7 Quá trình Back Off

DCF thông qua một kế hoạch Back Off số mũ Ở mỗi gói truyền, thời gian Back Offđược thống nhất chọn trong khoảng (0,CW-1) Giá trị CW được gọi là cửa sổ tranhchấp Contention Window và phụ thuộc vào số lần truyền không thành công của mộtgói

Trong lần truyền đầu tiền, CW được đặt ở giá trị CWmin (giá trị CW nhỏ nhất) Saumỗi lần truyền không thành công, CW tăng lên gấp đôi cho tới giá trị cao nhấtCWmax= CWmin Trong đó m là số lần CWmin tăng gấp đôi [6]

Hình 2-10: SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN TĂNG CW [6]

Để đánh giá thông lượng, độ trễ, tỉ lệ gói tin thành công trong quá trình truyền bằng

lý thuyết chúng ta sẽ áp dụng xích Markov Xích Markov hay chuỗi Markov là môhình thời gian rời rạc, được đặt theo tên nhà toán học người Nga AndreiAndreyevich Markov, là một quá trình ngẫu nhiên thời gian rời rạc Trong quá trìnhnày, quá khứ không liên quan đến việc tiên đoán tương lai mà nó chỉ phụ thuộc vàothời điểm hiện tại Trong 802.11, chuẩn này bao gồm cơ chế tranh chấp kênh truyềnDCF (Distributed Coordination Function) và cơ chế lắng nghe tất cả các node trongmạng xem node nào muốn truyền PCF (Point Coordination Function) PCF sẽ tậptrung vào mạng có yêu cầu về dịch vụ QoS (Quality of Service), còn DCF sử dụngkhi không yêu cầu đến Qos Báo cáo sẽ tập trung vào 802.11 DCF

Hình 2-11: CƠ CHẾ BACK-OFF TRONG 802.11DCF

Chuẩn 802.11DCF hoạt động dựa trên cơ chế CSMA/CA như đề cập ở phần MACtrong 802.11, cơ chế này sẽ lắng nghe kênh truyền trước khi tham gia tranh chấp.Khi một node bất kỳ có sẵn gói tin muốn truyền sẽ lắng nghe kênh truyền Nếu kênhtruyền đang nhàn rỗi thì sau một khoảng thời gian liên khung DIFS, node sẽ thamgia back-off Thời gian back-off hay còn gọi là quá trình back-off sẽ được chọnngẫu nhiên từ 0 đến giá trị CW với khởi điểm ban đầu là CWmin, sau mỗi lầntruyền thất bại CWmin sẽ tăng lên gấp đôi cho đến khi đạt CWmax theo công thứcCWmax= CWmin Bộ đếm thời gian back-off sẽ giảm đi một đơn vị sau mỗi khethời gian mà node cảm nhận được kênh truyền nhàn rỗi Khi bộ đếm đến 0, lúc nàynode sẽ bắt đầu gửi gói yêu cầu truyền RTS Trong quá trình back-off bộ đếm sẽ

Các node lân cận lắng nghe thời điểm gói RTS và CTS được truyền sẽ thiết lậpvector trì hoãn cảm biến kênh truyền NAV [6]

Trong trường hợp sau một khoảng thời gian nếu node gửi không nhận được gói CTS

từ node nhận, thì node sẽ cài đặt bộ đếm thử lại (Retry Couter) tăng lên một Khibiến đếm thử lại đạt giới hạn (Retry Limit) thì node gửi loại bỏ gói tin đó ra khỏibuffer

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VANET

1.8 MÔ HÌNH TỔNG QUAN

Giao thông xe cộ đã trở thành một trong những lĩnh vực hoạt động nghiên cứu trongmạng không dây Mạng lưới xe cộ (VANETs) là một thách thức môi trường chogiao thức và thiết kế ứng dụng do quy mô lớn Ngoài ra các yêu cầu khác nhau sẽđưa ra các ứng dụng cho ngăn xếp giao thức rất khác nhau, từ ứng dụng thông tingiao thông có thể chịu được sự chậm trễ cho đến các ứng dụng quan trọng như tránh

va chạm và quản lý giao thông IEEE 1609 (WAVE) phát triển ở phiên bản đầu tiêncủa kiến trúc cho các lớp thấp hơn của ngăn xếp giao thức được điều chỉnh cụ thểhướng tới VANETs Nền tảng của họ IEEE 1609 tiêu chuẩn là chuẩn IEEE 802.11p

và các lớp điều khiển truy cập trung bình

Hình 3-1: CẤU TRÚC MỘT KHUNG WAVE [7]

WAVE sử dụng trong V2V gồm: giao thức WSMP (WAVE Short MessageProtocols) và một packet quản lý WSA (WAVE Service Advertisement) trên nềntảng IEEE 802.11p và IEEE 1609.4

• IEEE 1609.1 định nghĩa quản lý tài nguyên là cho phép đa ứng dụng chạytrên các đơn vị bên lề đường để giao tiếp với các đơn vị được gắn trên nhiềuphương tiện Nó phục vụ trên lớp ứng dụng.

• IEEE 1609.2 định nghĩa dịch vụ bảo mật cho các giao tiếp vehicle-to-X nhưchứng thực và mã hóa các thông điệp trạm

• IEEE 1609.3 quy định cụ thể các dịch vụ mạng cho truyền thông

vehicle-to-X truyền thông, trong đó có một stack và giao thức cụ thể để handle WAVEShort Messages (WSM)

• IEEE 1609.4 định nghĩa cách các hoạt động của nhiều kênh khác nhau được

tổ chức và có một mối quan hệ với cơ chế EDCA

1.9 ĐỊNH TUYẾN TRONG VANET

Định tuyến là quá trình gửi dữ liệu từ node nguồn node đến đích, định tuyến trongmạng VANETs là một vấn đề quan trọng nó ảnh hưởng đến việc trễ trong quá trìnhtruyền dữ liệu Việc phân loại các giao thức định tuyến dựa trên các khía cạnh khácnhau như: đặc điểm, chất lượng dịch vụ, kỹ thuật sử dụng, thuật toán định tuyến,kiến trúc mạng,… Định tuyến trong VANETs được phân loại theo các loại: phát đahướng, phát sóng, unicast, dựa trên địa hình và vị trí Ở đây ta nghiên cứu giao thứcđịnh tuyến dựa trên cấu trúc liên kết và vị trí

Mạng Vanets được hình thành bởi các node mạng có tính di động cao và khả năngphát hiện ra sự có mặt của các node khác, tự định dạng để tạo nên một hệ thốngmạng Lấy ví dụ nếu có một nút muốn truyền thông điệp tới một node ở xa thì trongmạng có thể thiết lập qua các node trung gian (các node truyền thông điệp từ nodenguồn tới node đích qua các node trung gian), trong mạng Vanets không tồn tại kháiniệm quản lý tập trung và đảm bảo mạng không bị đứt kết nối khi một node dichuyển ra khỏi phạm vi của mạng vì nó sử dụng phương pháp trao đổi thông tin quanhiều node, đồng thời mạng sẽ tự cấu hình lại, ví dụ, một node di chuyển ra khỏiphạm vi của mạng, node bị ảnh hưởng sẽ yêu cầu đường định tuyến mới và giải

Hình 3-2: CÁC LOẠI GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG VANETs [8]

Giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết (Topology-Based Routing Protocols)

là cấu trúc liên kết có sử dụng các bảng định tuyến để lưu trử thông tin liên kết làm

cở sở chuyển tiếp từ node nguồn đến node đích Giao thức này phân loại dựa trênkiến trúc mạng là Reactive và Proactive [8]

• Giao thức định tuyến Proactive: Là giao thức hoạt động dựa trên bảng địnhtuyến để nhận biết thông tin các node còn lại Vì vậy, mỗi node có thể biếtđược kiến trúc tổng thể của toàn mạng Ưu điểm của các giao thức này làkhông cần phải tìm tuyến đường vì tuyến đường vì được lưu trong bộ nhớ.Nhưng lại phải duy trì các tuyến đường không sử dụng nên băng thông củamạng sẻ bị giảm, đây là nhược điểm chính của các giao thức này Điển hìnhcủa giao thức Proactive là giao thức định tuyến vector DSDV (DestinationSequenced Distance Vector Routing) và giao thức định tuyến trạng thái FSR(Fisheye)

• Giao thức định tuyến Reactive: Đây là giao thức định tuyến theo yêu cầu,đường đi chỉ được xác định khi một node có nhu cầu truyền gói tin Nó chỉduy trì liên kết với các tuyến đường đang được sử dụng hiện tại trong mạng.Phương pháp này làm giảm gánh nặng trong mạng, hạn chế sử dụng băngthông Nhóm giao thức định tuyến Reactive gồm các giai đoạn phát hiệntuyến đường khi các gói muốn tìm tuyến đường được phát cho toàn bộ các

On-Demand Distance Vector) vector khoảng cách theo yêu cầu và giao thứcđịnh tuyến nguồn động DSR (Dynamic Source Routing) Khi xảy ra lỗi tạimột node trong quá trình truyền dữ liệu, các giao thức định tuyến thườngkhôi phục đường truyền bằng cách tạo tuyến đường mới Sử dụng thông tinphản hồi đến các node nguồn nhằm để khởi tạo tuyến đường mới

Giao thức định tuyến dựa trên vị trí (Position-Based Routing Protocols), đối vớinhóm giao thức này các node khi muốn truyền dữ liệu không cần tìm tuyến đườnghay duy trì tất cả tuyến đường như các giao thức định tuyến phía trên Khi một nodemuốn truyền dữ liệu cho node ở xa, nó tự xác định vị trí của nó cũng như vị trí củanode cần truyền đến bằng cách dựa trên sự hỗ trợ của công nghệ định vị toàn cầunhư GPS Các giao thức định tuyến này khắc phục được nhược điểm của các giaothức định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết mạng khác vì xe di chuyển và tốc độ thayđổi liên tục, các xe di chuyển ngược chiều nhau thì khoảng cách của chúng cũngthay đổi rất nhanh trong khoảng thời gian rất ngắn nên tốc độ thay đổi cấu trúc liênkết mạng thường rất cao và băng thông cần thiết để duy trì tuyến đường rất lớn đểcác tuyến đường luôn được cập nhật nhanh chóng Các giao thức định tuyến dựatrên vị trí được chia thành 3 loại là: DTN (Delay Tolerant Network), Non-DTN(Non-Delay Tolerant Network) và Hybrid [8]

• Non-DTN là giao thức định tuyến cho thời gian đưa gói tin từ nguồn đếnđích một cách nhanh chóng nhất Giao thức này phù hợp với các ứng dụng antoàn yêu truyền gói tin sớm nhất có thể Thời gian trễ khi truyền dẫn tronggiao thức này là quan trọng nhất và phương pháp được áp dụng đó là tìm conđường ngắn nhất Giao thức này có hạn chế là ở các vùng có mật độ xe thưathớt đường định vị ngắn nhất có thể không kết nối được với điểm đích Điểnhình của nhóm này là giao thức GPSR (Greedy Perimeter Stateless Routing)khi không thể kết nối tiếp trên con đường đến đích giao thức này sử dụng kĩthuật mô hình nhóm cho dự đoán di động trong bán kính node đó

node khác giao thức sẽ lưu lại gói và chuyển tiếp khi đường truyền dữ liệuđược kết nối trở lại.

1.10 IEEE 1609.4

Chuẩn IEEE 1609.4 cho hoạt động đa kênh [14], trong VANETs định nghĩa một sốkênh, mỗi kênh cho các ứng dụng khác nhau và với các đặc điểm khác nhau, đặcbiệt lưu ý rằng ngoài tần số khác nhau được sử dụng, các công suất truyền tối đakhác nhau được phân bổ cho các kênh khác nhau Kênh điều khiển quan trọng antoàn có công suất truyền tiềm năng cao nhất, trong khi các ứng dụng không quantrọng và ứng dụng giải trí sẽ sử dụng các kênh có công suất truyền nhỏ hơn Trongcác kênh khác nhau của IEEE 1609.4, từ kênh điều khiển (CCH) đến sáu kênh dịch

vụ (SCH), được sử dụng theo kiểu ghép kênh thời gian Phần còn lại của các khethời gian được sử dụng bởi các kênh dịch vụ khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu ứngdụng thực tế

Hình 3-3: BẢY KÊNH TRONG 1609.4 [7]

Continuous Access: chỉ vận hành trên kênh CCH.

Alternating Access: truy cập kênh SCH trong SHCI và CCH trong CCHI.

Immediate Access: truy cập SCH trong cả SCHI và CCHI.

Extended Access: tương tự IA nhưng mở rộng khoảng thời gian.

Hình 3-4: 1609.4 MAC EXTENSION [7]

1609.4 Bao gồm nửa trên của MAC WAVE cũng như phần mở rộng MLME 1609.4Bao gồm phần còn lại của mặt phẳng dữ liệu được hiển thị, bao gồm Logical Link Layer (LLC), giao thức WAVE Short Message Protocol (WSMP), IPv6 và UDP / TCP Giao thức tin nhắn ngắn WAVE được sử dụng để truyền các thông điệp có độ trễ thấp, cho phép các ứng dụng đặt các thông số truyền lớp vật lý cho mỗi tin nhắn.Một mô hình WAVE được định nghĩa là một mô hình phù hợp với các chuẩn

định nghĩa việc truy xuất và gửi dữ liệu, còn chi tiết của việc truyền dẫn và và thunhận dữ liệu là nhiệm vụ của PHY.

Chuẩn 802.11p được phát triển dựa trên chuẩn 802.11a Chuẩn 802.11p được bổsung một số chức năng để truyền thông vehicle-to-X như sau: môi trường truyền dữliệu luôn luôn thay đổi, cách thức truyền thông tin như trong mạng Ad-hoc, độ trễnhỏ và hoạt động trong khoảng tần số dành riêng

• Tầng MAC

Mạng wireless cho phép người truy cập mạng di động và tầng MAC là nơi hiệnthực tính năng này Do đó, khác với đặc tả của chuẩn IEEE 802 về tầng MAC củacác mạng có dây truyền thống, tầng MAC của chuẩn 802.11 sẽ có thêm nhiều tínhnăng phức tạp hơn

Điểm khác biệt cơ bản giữa chuẩn 802.11p và các chuẩn WiFi 802.11 khác đó làkhả 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 cácchuẩn WiFi 802.11 thì phải mất thời gian khá dài để hình thành kết nối khi nhậnkhung thông tin đầu tiên, điều này là không thể chấp nhận được trong trường hợpmuốn hình thành kết nối trao đổi thông tin giữa 2 xe đang chuyển động ngược chiềunhau Các lớp MAC/PHY trong 802.11p cũng không hỗ trợ điều này, nhưng bù lạichúng được cung cấp bởi một trạm quản lý (Station management entity SME) hoặcđược dung cấp bởi giao thức cấp cao hơn Trong trường hợp cần truyền thôngvehicle-to-X thì sử dụng các giao thức của chuẩn IEEE 1609 (IEEE 2006)

• Tầng PHY

Do tính đặc thù của mạng không dây là tầng PHY dựa trên sóng vô tuyến nên trongtầng PHY sẽ có nhiều vấn đề và kỹ thuật hiện thực khác hơn nhiều so với mạng códây IEEE 802.11p thừa kế các thông số của 802.11a, cả hai đều sử dụng kỹ thuậtOFDM, điều khác biệt lớn của 802.11p so với 802.11a đó là chỉ sử dụng băng thông10Mhz cho một kênh truyền so với 20Mhz của 802.11a Việc thu băng thông làmcho tín hiệu mạnh hơn chống mờ dần và tăng khả năng chịu được hiệu ứng lantruyền đa luồng của một tín hiệu trong một môi trường khắc nghiệt.

BẨNG 3-1 : SO SÁNH GIỮA IEEE 802.11P VÀ 802.11A [4]

CHƯƠNG 4 CHUẨN IEEE 802.11P CHO HỆ THỐNG VANET

dữ liệu không dây giữa các phương tiện là một trong những công nghệ đã cải thiệnviệc triển khai các ứng dụng ITS Giao tiếp này được chia thành hai loại: Xe đếnphương tiện (V2V) và Phương tiện đến cơ sở hạ tầng (V2I) Xe được trang bị côngnghệ liên lạc không dây tầm ngắn (khoảng 100 đến 300 mét) hoạt động như các nútmáy tính trên đường Công nghệ này được gọi là công nghệ mạng Ad-hoc mạng(VANET) Các mục tiêu chính của công nghệ VANET có thể được nêu ra như sau:Phát thông điệp cảnh báo cho các phương tiện lân cận trong trường hợp tai nạn xehơi, giúp các phương tiện khẩn cấp vượt qua các phương tiện khác một cách nhanhchóng, cung cấp cho tài xế thông tin giao thông thời gian thực mới nhất, hỗ trợ lái

xe tìm chỗ đỗ xe có thể truy cập

Bản chất cụ thể của VANET làm cho mạng này khác với các loại mạng khác vớimột số đặc điểm của nó là tính di động cao, thời gian giao tiếp ngắn, cấu trúc liênkết động và băng thông hạn chế Giao tiếp trong VANET dựa trên các tin nhắn khẩnhoặc tin nhắn quảng bá được trao đổi giữa các phương tiện xung quanh Do các đặctính của VANET và băng thông hạn chế, các tin nhắn quảng bá định kỳ có thể tiêuthụ toàn bộ băng thông có sẵn Hơn nữa, tin nhắn khẩn cấp cần được phổ biếnnhanh chóng và hiệu quả Do đó, cần phải ưu tiên các thông điệp quan trọng về thờigian và sử dụng chất lượng dịch vụ Lớp MAC của 802.11p thực hiện một sơ đồ ưutiên theo cách tương tự như chức năng truy cập kênh phân tán EDCA (Enhanced

VANET Sau đó, sẽ thiết lập một kịch bản thực tế để giúp chúng tôi phân tích các sốliệu hiệu suất của chuẩn 802.11p (thông lượng, độ trễ từ đầu đến cuối và mất gói).

1.13 LỚP PHY TRONG IEEE 802.11P

Lớp PHY của IEEE 802.11p tương tự như của 802.11a vì nó hoạt động ở mức 5,9GHz, rất gần với lớp 802.11a ở mức 5 GHz Lớp PHY trong 802.11p áp dụng kỹthuật truyền dẫn ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM tương tự như của802.11a, tuy nhiên, băng thông của 802.11p thu hẹp lại 10 Mhz bằng một nửa so với802.11a, điều này được nghiên cứu trong môi trường HVC [9] Không giống nhưmôi trường truyền thống của mạng cục bộ không dây, nơi vận tốc các nút tương đốithấp và ít thay đổi, trong môi trường giao thông tốc độ nút cao, mật độ thay đổi liêntục Do đó độ trễ lan truyền có thể cao hơn đáng kể, băng thông 10 Mhz là lựa chọnhợp lý cho môi trường giao thông Chuẩn IEEE 802.11p hỗ trợ việc truyền thông tinvới tốc độ trong khoảng từ 3 Mbps đến 27 Mbps Chuẩn này đưa ra mục tiêu hỗ trợcho phạm vi truyền lên đến 1000 m với vận tốc đi chuyển tương đối của các phươngtiện giao thông có thể đạt 30 m/s

BẢNG 4-1: THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA IEEE 802.11P [4]

1.14 LỚP MAC TRONG IEEE 802.11P