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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC IEEE 802.11P TRONG VANETS DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Access Categories ACI Access Category Index ACK Acknowledgement AODV Ad-hoc On-Demand Distance Vector AIFSN Arbitration Inter Frame Space Number AP Access Point ASs Application Servers BE Best Effort BK Background BSS Basic Service Set CA Collision Avoidance CCH Control Channel CS Carrier Sense CSMA Carrier Sense Multiple Access CTS Clear To Send D2D Device to Device DCF Distributed Coordination Function DIFS DCF Inter Frame Spaces DNT Delay Tolerant Network DSDV Destination Sequenced Distance Vector Routing DSR Dynamic Source Routing DSSS Direct Sequence Spread Spectrum EDCA Enhanced Distributed Channel Access EDCAF Enhanced Distributed Channel Access Function FSR Fisheye GPRS General Packet Radio Service GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing GSM Global System for Mobile Ghz Giga Hertz IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IFS 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 Mhz Mega Hertz MIMO Multiple Input Multiple Output MLME MAC Layer Management Entity NAV Network Allocation Vector NS3 Network Simulator OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PCF Point Coordination Function PDR Packet Delivery Ratio PHY Physical Layer PIFS PCF Inter Frame Spaces PLME Physical Layer Management Entity QoS Quality of Service RA Registration Authority RSUs Road Side Units RTS Request To Send SIFS Short Inter Frame Spaces SSH Service Channel STAs Stations SUMO Simulation of Urban Mobility TCP Transmission Control Protocol TLS Termination Proxy or SSL termination proxy TXOP Transmission Opportunities UDP User Datagram Protocol UMTS Universal Mobile Telecommunications System V2V Vehicle to Vehicle V2I Vehicle to Infrastructure VI Video VO Voice 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 Access WLAN Wireless Local Area Network ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/64 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG VANET 1.1 GIỚI THIỆU Ngày hôm nay, với phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin, điện tử viễn thông kết hợp với đa dạng phong phú phương tiện kỹ thuật tạo nên hình thái phát triển liên tục phục vụ cho đời sống người Thông tin liên lạc mở rộng nhiều lĩnh vực hứa hẹn nhiều phát triển Với mật độ giao thông ngày tăng, nhu cầu sử dụng xe phát triển, mạng di động tùy biến xe lĩnh vực nhà phát triển nghiên cứu đưa vào sử dụng nhằm đem lại hiệu quả, điểm nhấn bước phát triển xe Để hiểu phát triển bước tiến lĩnh vực này, muốn giới thiệu cho người đọc tổng quan lý thuyết, khái niệm tổng thể mơ hình hệ thống mạng di động tùy biến xe hay gọi VANET 1.1.1 VANET Hình 1-1: VANETs [1] VANET - Vehicular ad hoc Network (Mạng di động tùy biến xe) phần đặc biệt MANET - Mobile ad hoc Network Là hệ thống với thiết bị Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/64 không dây xe, trạm cố định tuyến đường để tạo thành mạng lưới, giao tiếp thực mạng, hệ thống giúp xe liên lạc với để chia thơng tin lẫn nhau, ví dụ thơng tin giao thơng, tình trạng kẹt xe, tắt đường, tai nạn phía trước hay cảnh báo nguy hiểm VANET sử dụng công nghệ tiên tiến kết nối liên lạc không dây với Những cơng nghệ giúp ích nhiều việc phát triển đặc biệt mạng di động tùy biến xe Công nghệ chia làm hai nhóm có cơng nghệ sử dụng diện tích bao phủ lớn GSM, GPRS UMTS có băng thơng vừa phải, ngồi sử dụng cơng nghệ có diện tích nhỏ WLAN với băng thông lớn VANET sử dụng nhiều kiểu công nghệ di động WiFi IEEE 802.11, WiMAX IEEE 802.16, Blutooth, IRA, Zigbee để dễ dàng việc trao đổi, xác hiệu thơng tin xe với 1.1.2 Ứng dụng VANET đời sống Một ứng dụng mạng xe đòi hỏi giao tiếp không dây sử dụng giao thức mạng di động Hiện nay, có nhiều cơng nghệ khác sử dụng mạng di động WLAN, GSM, mạng tùy biến Tùy theo yêu cầu ứng dụng linh hoạt chọn cơng nghệ phù hợp với hệ thống Qua ta chia các ứng dụng làm hai loại: • An tồn giao thơng : Với sử dụng hệ thống mạng di động tùy biến đảm bảo an tồn giao thơng thực triệt để hệ thống cung cấp vấn đề xảy q trình tham gia giao thơng chuyển hướng lại bất ngờ thành viên tham gia giao thông, xe trống có tai nạn phía trước thơng tin truyền đạt đến toàn xe hệ thống giúp việc xử lý tình hiệu Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/64 Hình 1-2: Ý TƯỞNG VỀ VANETs [2] • Những ứng dụng khác: Ngồi thơng báo giao thơng, điểm mạnh khác cảnh báo cho người sử dụng biết việc vượt vi phạm quy định lưu thông, quản lý hoạt động xe, phân luồng, nhắc nhở xe vi phạm Từ an ninh tuyến đường củng cố tạo cảm giác an tồn lưu thơng 1.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG VANET Như giới thiệu VANET phần mạng di động cung cấp giao tiếp cho xe gần với xe mạng lưới (V2V) thiết bị cố định gần (V2I) Trong phần nghiên cứu mơ hình tổng quan hệ thống VANET để hình dung vận hành thiết bị hệ thống Hình 1-3: SƠ ĐỒ TẦNG TRONG VANETs [2] Một mạng lưới giao thông VANET gồm hai tầng Ở tầng bao gồm ứng dụng từ máy chủ ASs (Application Servers) điểm nối RSUs (Road Side Units) Những ứng dụng máy chủ kết nối với điểm truy cập thơng qua kênh an tồn, chẳng hạn lan truyền với giao thức bảo mật TLS (Termination Proxy or SSL termination proxy) với hai cách kết nối sử dụng dây không dây Ứng dụng máy chủ ASs cung cấp thông tin liệu cho điểm truy cập, RSUs cung cấp liệu cho lớp thấp hơn, xe tham gia giao thông mạng lưới Và đặc biệt, tất xe RSUs Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/64 phải đồng hóa thời gian, xe giao tiếp với giao tiếp với RSUs RSUs có khả tính toán cao độ tin cậy xem tuyệt đối tồn liệu RSUs ứng dụng máy chủ ASs xử lý cung cấp Hình 1-4: XE HƠI GIAO TIẾP VỚI RSU BÊN ĐƯỜNG [2] Hình minh họa cho ta thấy hệ thống VANET điển hình gồm xe lưu thông, điểm truy cập bên đường tập hợp máy chủ Chia môi trường thông tin với với máy chủ thông qua điểm truy cập Hình 1-5: CHI TIẾT HỆ THƠNG VANETs [2] Hình 1-5 mơ tả chi tiết hệ thống Khi xe đăng ký sử dụng dịch vụ VANET, hệ thống cấp mã an toàn (Cách phân biệt xe với hệ thống) để tiện cho việc thông tin quản lý thông qua quan kiểm sốt RA, RA nắm xe tham gia vào hệ thống tạo nên an toàn sử dụng dịch vụ Với xe sử dụng hai giao tiếp V2V V2I Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/64 có mạch điều khiển thơng tin liệu hệ thống mạng như: Vị trí, tốc độ, thời gian, Thông tin liên lạc truyền xe với với đơn vị cố định bên đường RSUs sau truyền lên ASs Tiếp đó, máy chủ ghi liệu có từ RSUs xử lý chúng với thông tin từ trung tâm quản lý giao thông, nhà sản xuất xe, trung tâm dự báo thời tiết, Máy chủ cung cấp vị trí thơng qua dịch vụ gọi LSP (Location Based Service) Dịch vụ có chức cung cấp đầy đủ cho mạng VANET tồn thơng tin để qua xe sử dụng biết thơng tin cần thiết xử lý hiệu 1.3 AN TỒN THƠNG TIN Với ứng dụng ta xét VANET, ta phải ý đến tính bảo mật an tồn thơng tin, thơng điệp Ở phân loại thơng tin thành ba lớp: thông tin giao thông bản, tin nhắn an tồn hệ thống, trách nhiệm pháp lý Thơng tin giao thơng sử dụng để đưa tình trạng giao thông khu vực định nên có ảnh hưởng gián tiếp đến an tồn hệ thống việc ngăn ngừa tai nạn tiềm tàng tắc nghẽn Tin nhắn an toàn hệ thống sử dụng để tránh xa tai nạn đáp ứng nhu cầu nghiêm ngặt xác cần phải có ràng buộc tránh chậm trễ trình hoạt động Trách nhiệm pháp lý liên quan đến tin nhắn phân biệt từ lớp trước cung cấp thông tin liên quan đến trách nhiệm với cảnh báo hay thơng điệp gửi đi, mà trách nhiệm pháp lý thông điệp phải xác định thông qua thông tin đăng ký người gửi với quan pháp lý Việc phân loại tin nhắn giúp ích nhiều phân tích an tồn hệ thống có đột nhập từ ngồi vào Một thơng tin an tồn điển hình bao gồm vị trí, tốc độ, hướng, gia tốc xe ngồi thơng tin cụ thể kiện giao thông diễn ví dụ thơng tin tắc nghẽn hay tai nạn xảy Nếu người gửi đối mặt với cố bất ngờ Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/64 liệu giúp tính tốn vị trí xảy cố xác định xem cố gặp phải qua truyền thông tin cho hệ thống Hệ thống VANET hệ thống có ích Tuy nhiên, giao tiếp không dây, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên nhiều khả bị nghe trộm thơng tin truyền bị sai lệch Trong mạng VANET, việc truyền tin tức giao thông xe với quan trọng, điều có tác dụng tốt thơng tin truyền phản ánh tình hình giao thông cố giao lộ gây tác động nguy hiểm khơng kiểm sốt thơng tin xe truyền khơng xác sai lệch Sở dĩ thiết bị mạng truyền thơng tin quảng bá trung chuyển qua nhiều nút điều gây ảnh hưởng kiểu "phản ứng dây truyền" Ngoài việc truyền tin tức, hệ thống mạng phải đối phó với cơng từ bên ngồi vào Những kẻ cơng giả mạo tin nhắn thông tin sai lệch gây nhiễu hệ thống phá hỏng hệ thống Ngoài ra, chúng lợi dụng tin tức thu từ hệ thống thông tin loại xe vị trí nó, sau giả mạo thông tin xe khác, đồng thời chúng gian lận với cảm biến làm sai lệch vị trí, tốc độ, hướng di chuyển, Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 53/64 [11] "A hybrid multi-channel MAC protocol for wireless ad hoc networks", Duc Ngoc Minh Dang, Choong Seon Hong, Sungwon Lee [12] "Performance Analysis of IEEE 802.11p MAC Protocol in Vehicular Ad hoc Networks", Duc Ngoc Minh Dang, Sungwon Lee and Choong Seon Hong, Department of Computer Engineering, Kyung Hee University [13] "A Methodology for Studying 802.11p VANET Broadcasting Performance with Practical Vehicle Distribution", Harry J F Qiu, Ivan Wang-Hei Ho, Member, IEEE, Chi K Tse, Fellow, IEEE, Yu Xie [14] "IEEE Standard For Wireless Access In Vehicular Environments (WAVE) Multi-Channel Operation", IEEE Standard (2010) [15] " Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specification", IEEE Standard (1997) Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 54/64 PHỤ LỤC A #include "ns3/command-line.h" #include "ns3/node.h" #include "ns3/packet.h" #include "ns3/simulator.h" #include "ns3/node-container.h" #include "ns3/net-device-container.h" #include "ns3/yans-wifi-helper.h" #include "ns3/mobility-helper.h" #include "ns3/seq-ts-header.h" #include "ns3/wave-net-device.h" #include "ns3/wave-mac-helper.h" #include "ns3/wave-helper.h" #include "ns3/rng-seed-manager.h" #include "ns3/log.h" #include "ns3/mobility-model.h" #include "ns3/netanim-module.h" #include using namespace ns3; NS_LOG_COMPONENT_DEFINE("WaveSimpleChannel"); class StatsTag : public Tag { public: StatsTag (void) : m_packetId(0), m_sendTime(Seconds(0)) { } StatsTag (uint32_t packetId, Time sendTime) : m_packetId(packetId), m_sendTime(sendTime) { } Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 55/64 virtual ~StatsTag (void) {} uint32_t GetPacketId (void) { return m_packetId; } Time GetSendTime (void) { return m_sendTime; } static TypeId GetTypeId (void); virtual TypeId GetInstanceTypeId (void) const; virtual uint32_t GetSerializedSize (void) const; virtual void Serialize (TagBuffer i) const; virtual void Deserialize (TagBuffer i) ; virtual void Print (std::ostream &os) const; private: uint32_t m_packetId; Time m_sendTime; }; TypeId StatsTag::GetTypeId (void) { static TypeId tid = TypeId ().AddConstructor (); return tid; } TypeId StatsTag::GetInstanceTypeId (void) const { return GetTypeId(); } Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ("ns3::StatsTag").SetParent ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 56/64 uint32_t StatsTag::GetSerializedSize (void) const { return sizeof(uint32_t) + sizeof (uint64_t); } void StatsTag::Serialize (TagBuffer i) const { i.WriteU32 (m_packetId); i.WriteU64 (m_sendTime.GetMicroSeconds()); } void StatsTag::Deserialize (TagBuffer i) { m_packetId = i.ReadU32 (); m_sendTime = MicroSeconds (i.ReadU64()); } void StatsTag::Print (std::ostream &os) const { os Add (Vector (15.0, 15.0, 0.0)); mobility.SetPositionAllocator ("ns3::GridPositionAllocator"); mobility.SetMobilityModel ("ns3::RandomWalk2dMobilityModel"); // "Bounds", RectangleValue(Rectangle(-20, 50, -20, 50))); mobility.Install (nodes); for (NodeContainer::Iterator i = nodes.Begin(); i != nodes.End(); ++i) //lay vi tri cua cac node { Ptr node = (*i); Ptr model = node->GetObject (); Vector pos = model->GetPosition(); NS_LOG_DEBUG("position: " SetReceiveCallback (MakeCallback (&WaveNetDeviceExample::Receive, this)); // device->SetWaveVsaCallback (MakeCallback (&WaveNetDeviceExample::ReceiveVsa, this)); devices.Get(i)->SetReceiveCallback (&WaveNetDeviceExample::Receive, this)); } rngSafety = CreateObject (); rngSafety -> SetStream(1); rngNonSafety = CreateObject (); rngNonSafety ->SetStream(2); rngOthers = CreateObject (); rngOthers -> SetStream(3); broadcastPackets.clear(); safetyPacketID = 0; Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs (MakeCallback ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 61/64 nonSafetyPacketID = 0; receiveSafety = 0; timeSafety = 0; receiveNonSafety = 0; timeNonSafety = 0; sendSafety.sendInCchI = 0; sendSafety.sendInCguardI = 0; sendSafety.sendInSchI = 0; sendSafety.sendInSguardI = 0; sendNonSafety.sendInCchI = 0; sendNonSafety.sendInCguardI = 0; sendNonSafety.sendInSchI = 0; sendNonSafety.sendInSguardI = 0; // Tracing wavePhy.EnablePcap ("PcapFile/code", devices); if(verbose) { waveHelper.EnableLogComponents(); } } bool WaveNetDeviceExample::Receive (Ptr dev, Ptr pkt, uint16_t mode, const Address &sender) { // std::cout Send (p, dest, IPv6_PROT_NUMBER); Ptr coordinator = sender->GetChannelCoordinator (); if(coordinator->IsSchInterval()) { sendNonSafety.sendInSchI++; } } void WaveNetDeviceExample::Scenario () { CreateWaveNodes (); NetDeviceContainer::Iterator i; for (i = devices.Begin(); i != devices.End(); ++i) { Ptr sender = DynamicCast (*i); const SchInfo schInfo = SchInfo (SCH1, false, 0xff); Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 65/64 Simulator::Schedule (Seconds (0.0), &WaveNetDevice::StartSch ,sender ,schInfo); TxProfile profile = TxProfile (SCH1); Simulator::Schedule (Seconds (0.0), &WaveNetDevice::RegisterTxProfile, sender, profile); for (uint32_t time = 0; time != simulationTime; ++time) { for (uint32_t sends = 0; sends != frequencySafety; ++sends) { Simulator::Schedule (Seconds(rngSafety->GetValue(time,time+1)), &WaveNetDeviceExample::SendSafetyPkt, this, sender, SCH1); } for (uint32_t sends = 0; sends != frequencyNonSafety; ++sends) { Simulator::Schedule (Seconds(rngNonSafety->GetValue(time, time+1)), &WaveNetDeviceExample::SendNonSafetyPkt,this, sender); } } } } void WaveNetDeviceExample::Run (void) { CreateWaveNodes(); Scenario(); AnimationInterface anim ("wave.xml"); Simulator::Stop (Seconds(simulationTime)); Simulator::Run (); Simulator::Destroy (); Stat(); } Đánh giá giao thức IEEE 802.11p VANETs ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 66/64 void WaveNetDeviceExample::Stat (void) { double safetyPDR = receiveSafety / (double)safetyPacketID; double nonSafetyPDR = receiveNonSafety / (double)nonSafetyPacketID; double delaySafety = (timeSafety / receiveSafety) / 1000.0; double delayNonSafety = (timeNonSafety / receiveNonSafety) / 1000.0; double throughoutSafety = ((receiveSafety * sizeSafety * )/1000 )/simulationTime; double throughoutNonSafety = ((receiveNonSafety * sizeNonSafety * )/1000 )/simulationTime ; NS_LOG_UNCOND("SafetySends = "