SO SÁNH GIAO THỨC TRUY cập đa KÊNH CONTENTION BASED CHO MẠNG VANET (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SO SÁNH GIAO THỨC TRUY CẬP ĐA KÊNH CONTENTION-BASED CHO MẠNG VANET So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/39 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Access Category ACK ACKnowledgement AIFS Arbitrary Inter Frame Space CCH Control CHannel CCHI Control Channel Interval CIM Channel Information Map CP Contention Period CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance CTS Clear To Send CW Contention Window DC - MAC Dynamic - Cooperative MAC DCF Distributed Coordination Function DIFS DCF InterFrame Space EDCA Enhanced Distributed Channel Access EmgSlot Emergency Slot FIM Frame Information Map GPS Global Positioning System IoT Internet of Things ITS Intelligent Transportation System LAN Local Area Network MAC Media Access Control MANET Mobile Adhoc NETwork MF Multihop Forwarder NAV Network Allocation Vector OH One Hop PCF Point Coordination Function PDR Packet Delivery Ratio So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/39 QoS Quality of Service RES Reservation RSU Road Side Unit RTS Request To Send SCH Service CHannel SCHI Service Channel Interval SerSlot Service Slot SI Sync Interval SIFS Short InterFrame Space TC Transmission Cycle TDMA Time Division Multiple Access TH Two Hop VANET Vehicular Adhoc NETwork VF Virtual Frame WAVE Wireless Access in Vehicular Environment WSA WAVE Service Announcement So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/39 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Lời nói đầu Ngày nay, hệ thống giao thông thông minh (Intelligent Transportation System ITS) hướng đến việc sử dụng mạng truyền thông để quản lý giao thông hiệu hơn, tăng độ an toàn cho người tham gia giao thơng, cung cấp dịch vụ tiện ích giải trí cho người dùng lúc tham gia giao thông dịch vụ đồ, hướng dẫn đường đi, khả truy cập internet, xem video hay nghe nhạc trực tuyến… Mạng di động tùy biến giao thông (Vehicle Adhoc NETwork – VANET) thiết kế cho ITS dựa nguyên lý mạng di động tùy biến (Mobile Adhoc NETwork – MANET) So với MANET, phương tiện tham gia giao thông (gọi node) mạng VANET có độ di dộng cao, dẫn đến cấu hình mạng thay đổi liên tục Đối với truyền thông không dây, chuẩn IEEE 802.11 sử dụng nhiều kênh truyền lớp vật lý: IEEE 802.11b IEEE 802.11g quy định ba kênh truyền không bị chồng lấn băng tần cho việc truyền dẫn không dây, IEEE 802.11a dùng mười hai kênh truyền khác Tuy nhiên, giao thức truy cập kênh truyền (Media Access Control – MAC) lại thiết kế chế truy cập đơn kênh Phát triển dựa nguyên lý giao thức MAC cho mạng MANET, chuẩn IEEE 1609.4 đưa chế truy cập đa kênh dành cho mạng VANET Cơ chế truy cập IEEE 1609.4 thiết kế cho đa kênh truyền nhiều hạn chế mặt sử dụng băng thông hiệu vấn đề xung đột đồng (synchronized collision problem) có nhiều node tranh chấp truy cập kênh truyền thời điểm Vì vậy, việc thiết kế giao thức MAC cho mạng VANET trở thành xu hướng nghiên cứu hành giới với yêu cầu chế truy cập hiệu quả, đảm bảo khả truy cập sử dụng kênh truyền cách đồng cho node tham gia mạng So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/39 Trong luận văn này, giao thức VCI với chế điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ độ dài CCH SCH cách linh động giải vấn đề xung đột đồng sử dụng băng thông kênh truyền cách hiệu 1.2 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp Cấu trúc Đồ án tốt nghiệp trình bày sau: • • • • Chương 1: Giới thiệu đề tài Chương 2: Giới thiệu mạng VANET Chương 3: Giao thức MAC Chương 4: Giới thiệu giao thức IEEE 1609.4 & Variable Control channel Interval (VCI) • Chương 5: Đánh giá giao thức IEEE 1609.4 & giao thức Variable Control channel Interval (VCI) • Chương 6: Kết luận So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/39 CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG VANET Mạng Ad- hoc Mạng Ad-hoc hình thành nút di động có khả phát có mặt nút khác tự định dạng để tạo nên mạng Trong mạng Ad-hoc không tồn khái niệm quản lý tập trung, đảm bảo mạng khơng bị sập trường hợp nút mạng di chuyển khoảng truyền dẫn nút mạng khác trao đổi thơng tin phương pháp truyền gói tin qua nhiều bước (Multi-hop), đồng thời mạng tự cấu hình lại Ví dụ nút mạng rời khỏi mạng gây cố liên kết, nút mạng bị ảnh hưởng yêu cầu đường định tuyến vấn đề giải Như điều gây trễ mạng mà khơng ảnh hưởng đến người sử dụng mạng Ad-hoc vấn hoạt động bình thường 2.2 Mạng VANET Mạng VANET( Vehicular Ad- Hoc Network) công nghệ sử dụng xe di chuyển nút mạng để tạo nên mạng di động VANET biến xe tham gia giao thông thành Router( Bộ định tuyến) hay nút không dây, cho phép xe kết nối với xe khác phạm vi bán kính từ 100m tới 300m, từ tạo nên mạng với vùng phủ sóng rộng Do xe khỏi vùng phủ sóng khỏi mạng, xe khác tham gia, kết nối với phương tiện khác nên mạng Internet di động tạo nên Thông tin trao đổi mạng VANET bao gồm thơng tin lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thơng tin tai nạn giao thơng, tình nguy hiểm cần tránh dịch vụ đa phương tiện, Internet… Mục đích: - Cung cấp an toàn thoải mái cho người tham gia điều khiển phương tiện giao thông Các thiết bị điện tử đặc biệt đặt bên phương tiện So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/39 giao thông cung cấp kết nối mạng Ad-hoc cho người tham gia giao thông Mạng hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng, cho phép liên lạc đơn giản Mỗi thiết bị mạng VANET nút mạng trực tiếp gửi nhận làm trung gian phiên kết nối thơng qua mạng khơng dây Hình 2-1 Mơ hình mạng VANET [1] Xét ví dụ cụ thể xảy va chạm phương tiện đường, tín hiệu cảnh báo gửi thông qua mạng VANET tới phương tiện tham gia giao thông, với công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải cố, đảm bảo an tồn cho phương tiện khác Hoặc trao đổi thơng tin tình trạng giao thơng xe với để đưa lộ trình phù hợp So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/39 Hình 2-2 Cảnh báo nguy hiểm cho phương tiện giao thông với [1] 2.3 Những hệ thống mạng VANET 2.3.1 Hệ thống giao tiếp hai chiều So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/39 Chế độ cho phép kết nối hai xe để trao đổi thông tin hai chiều với Hình 2-3 Giao tiếp hai chiều [1] Thực chế độ hai chiều gồm giai đoạn: - Giai đoạn phát - Giai đoạn kết nối - Giai đoạn trao đổi liệu - Giai đoạn kết thúc Xét hai xe trao đổi thông tin hình Điều kiện để xe giao tiếp hai chiều với nhau: - Xe X (Initiator) cần phải: + Thực giai đoạn phát + Xác định lựa chọn xe phù hợp + Gửi yêu cầu kết nối đến xe Y(Responder) So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/39 + Thực giao tiếp hai chiều hai xe để trao đổi tin nhắn vào thời điểm thích hợp - Xe Y(Responder) cần phải: + Trả lời tất yêu cầu kết nối + Xác thực kiểm tra thật tin nhắn từ xe khác + Thực giao tiếp hai chiều hai xe để trao đổi tin nhắn vào thời điểm thích hợp Như Iniator Responder đóng kết nối lúc Do trao đổi thông tin hai chiều có số nhược điểm phải chờ đợi chấp nhận sau thông tin gửi nên chậm trễ xảy chậm thơng tin phải chuyển đến nhiều xe 2.3.2 Chế độ giao tiếp dựa vào vị trí Hình 2-4 Giao tiếp dụa vào vị trí [1] So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 24/39 trường hợp lý tưởng, tức là, số lượng đặt phòng thành cơng với số lượng gói truyền tất SCH miền RSU Khoảng CCH tối ưu hóa tính tốn RSU, cần thu thập môi trường xung quanh tại, làm tắc nghẽn số lượng nút phạm vi bảo hiểm chúng Tuy nhiên, khoảng CCH công bố RSU khác thay đổi Trong trường hợp này, nút nhận giá trị khác khoảng CCH nên áp dụng khoảng CCH dài để đảm bảo truyền thơng tin an tồn Mặt khác, nút có xu hướng giao tiếp với nút khác RSU lân cận có khoảng CCH khác, cặp nút chọn khoảng CCH dài Quá trình mà nút chọn khoảng CCH thích hợp trình bày Thuật tốn Thuật tốn Quy trình chọn khoảng CCH // Được thực nút đầu khoảng CCH // CIcurr: Khoảng CCH chu trình đồng hóa // CIprev: Khoảng CCH chu kỳ đồng hóa trước // CIwsa_f: CCH cơng bố WSA / RFS / frame // CIvci_f: Khoảng CCH công bố khung VCI // Đặt khoảng CCH mặc định if CIprev not equal zero then CIcurr = CIprev else CIcurr = 50ms end if // Cập nhật khoảng CCH nhận khung VCI if receive a VCI frame then if it is the first time receiving a VCI frame then Update the CIcurr else if CIcurr < CIvci_f then CIcurr = CIvci_f end if end if So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 25/39 // Cập nhật khoảng CCH nhận khung WSA / RFS / ACK if receive a WSA/RFS/ACK frame then if have not yet received a VCI frame then Update the CIcurr else if the WSA/RFS/ACK frame is from the node will connect to then // Under different RSUs if CIcurr < CIwsa_f then CIcurr = CIwsa_f end if end if end if Ngồi ra, khơng phát RSU, nút bước nhảy chọn nhà lãnh đạo để thực truyền phát gói VCI Cơ chế ID nhỏ chiến lược lựa chọn nhà lãnh đạo đơn giản hiệu Ngồi ra, nút đóng vai trò nhà cung cấp dịch vụ phát gói VCI Vì gói WSA nhà cung cấp dịch vụ phát khoảng thời gian WSA chứa thông tin nhận dạng dịch vụ (BSSID), nhà cung cấp dịch vụ có BSSID nhỏ truyền gói VCI Ngồi ra, RSU nút chọn đóng vai trò RSU tính tốn khoảng CCH thích hợp, phải xác định khoảng thời gian an tồn phải Khoảng thời gian an toàn liên kết với số lượng nút môi trường xung quanh Khi số lượng nút tăng lên, cần có khoảng thời gian an toàn dài hơn, khi tai nạn xảy trường hợp khẩn cấp khác, số lượng thơng báo an tồn cần có truyền tăng Trong báo này, sử dụng tần suất gửi tin nhắn an toàn để biểu thị mức độ số lượng tin nhắn an toàn truyền tai nạn xảy trường hợp khẩn cấp khác Như MAC VCI giúp MAC 1609.4 tăng cường đáng kể thông lượng bão hòa SCH giảm độ trễ truyền gói dịch vụ trì việc truyền thơng tin an tồn quan trọng CCH So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 26/39 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC IEEE 1609.4 & GIAO THỨC VARIABLE CONTROL CHANNEL INTERVAL Chương trình bày điều kiện mơ giao thức VCI giao thức IEEE 1609.4, hiệu suất giao thức VCI đánh giá thông qua kết mô tỷ số truyền gói tin khẩn thành cơng PDR thơng lượng gói tin dịch vụ Ngồi việc so sánh kết phân tích kết mô giao thức VCI trình bày chương 5.1 Điều kiện mơ Mô thực công cụ MATLAB xử lý theo kiện diễn (event – driven simulation tool) Mô xây dựng dựa sở sau: o Khơng gian chiều, vị trí node phân bố ngẫu nhiên o Xét trường hợp mô đường cao tốc chiều với tốc độ di chuyển trung bình phương tiện 112.654 km/h (70 mph) Trong 100 ms, phương tiện di chuyển trung bình khoảng m So với khoảng cách truyền hop 250 m, topology mạng xem không thay đổi, mô thực với topology tĩnh o Đối với chuẩn IEEE 1609.4, thời gian tranh chấp kênh điều khiển 50 ms, thời gian sử dụng kênh dịch vụ SCH 50 ms Đối với giao thức VCI, thời gian tranh chấp kênh điều khiển phụ thuộc vào độ rộng CCH Các thông số mô khác mô tả chi tiết Bảng 5-1 o Các trường hợp mơ có điều kiện tương đương với điều kiện mơ hình phân tích hiệu suất giao thức VCI 1609.4 nhằm đánh giá mức độ xác mơ hình phân tích giao thức sử dụng Bảng 5-1 Thông số mô [3] 5.2 Kết mô So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 27/39 Hiệu suất giao thức VCI đánh giá thơng qua PDR gói tin khẩn thơng lượng gói tin dịch vụ so sánh với giao thức IEEE 1609.4 Khi phân tích giao thức, mơ hình đưa sử dụng cho miền va chạm (một hop) Tương tự, mô thực không gian chiều dài 250 m Dưới điều kiện mô này, giao thức VCI 1609.4 có thời gian tranh chấp kênh điều khiển chuẩn IEEE 1609.4 50 ms • PDR gói tin khẩn có kết Hình 5.1, với tốc độ gói tin khẩn đến buffer = 25 gói/giây gói tin dịch vụ =25 gói/giây Khi tăng số lượng node, PDR gói tin khẩn chuẩn IEEE 1609.4 chuẩn VCI giảm Hình 5-13 PDR gói tin khẩn = 25 gói/giây gói tin dịch vụ =25 gói/giây So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 28/39 • Khi số node phân bố 250 m tăng lên, tốc độ gói tin khẩn tới buffer =25 gói/giây tốc độ gói tin dịch vụ =25 gói/giây (Hình 5-2), số lượng bắt tay gói dịch vụ tăng lên giảm xuống Hình 5-14 Số lượng bắt tay gói tin dịch vụ số node • Chọn cố định 50 node, tốc độ gói tin khẩn tới buffer =25 gói/giây tốc độ gói tin dịch vụ tăng lên, lấy số PDR cho 1609.4 VCI (Hình 5-3) Ta thấy PDR giảm theo số Emgrate tăng lên So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 29/39 Hình 5-15 PDR gói tin khẩn tăng lên gói tin dịch vu =25 gói/giây • Khi cho cố định 50 node, tốc độ gói tin khẩn tới buffer =25 gói/giây tốc độ gói tin dịch vụ tăng lên Ta hiển thị số lượng bắt tay gói tin dịch vụ tốc độ gói tin dịch vụ (Hình 5-4) Cả VCI 1609.4 cho thấy số lượng bắt tay gói tin dịch vụ tốc độ gói tin dịch vụ tăng lên So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 30/39 Hình 5-16 Số lượng bắt tay gói tin dịch vụ tốc độ gói tin dịch vụ tăng lên So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 31/39 CHƯƠNG KẾT ḶN 6.1 KẾT ḶN : • Đã hồn thành nhiệm vụ giao • Mơ hình chạy với mơ • MAC VCI đề xuất cung cấp việc sử dụng kênh hiệu với mức độ cao thông qua thông số dịch vụ truyền tải truyền gói dịch vụ lớn 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN • Trong tương lai phát triển nhiều thuật tốn cải thiện góc độ nhìn kênh truyền khác node, giải vấn đề xung đột đồng thời gian thời điểm tham gia tranh chấp sử dụng kênh truyền DC-MAC… So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 32/39 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.vnpro.org/forum/forum/c%C3%B4ng-ngh%E1%BB%87m%E1%BA%A1ng/wan-remote-access/29670-t%C3%ACm-hi%E1%BB %83u-vanet-v%C3%A0-%E1%BB%A9ng-dung-vanet-trong-cu%E1%BB %99c-s%E1%BB%91ng [2] https://ieeexplore.ieee.org/document/6402853 [3] https://standards.ieee.org/standard/1609_4-2016.html So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 33/39 PHỤ LỤC A *constant function constant = constant(EmgRate,SerRate,TotalNode) %SerRate and EmgRate are in packets/second buf = 30;%chieu dai buffer RTS = 20*8; %20 bytes CTS = 14*8; %14 bytes ACK = 14*8; %14 bytes Emgdata = 100*8; %100 bytes TimeSlot = 9; %9us chieudai khe thoi gian EmgSlot = 1000; %1ms Nemg = 10; %number of emgslot in a VF SIFS = 16; %16us DIFS = 34; %34us AIFS_1 = 2; %safety message AIFS_2 = 9; %service message NumberNode = TotalNode; VF = 100000; %100ms BasicRate = 6; %6Mbps; EmgInt = 1e6/EmgRate; %packet arrival interval= avg time between consecutive pkt SerInt = 1e6/SerRate; %packet arrival interval %Time to transmit packet Tx_RTS = RTS/BasicRate; %time to transmit RTS in usec Tx_CTS = CTS/BasicRate; Tx_ACK = ACK/BasicRate; Tx_Emgdata = Emgdata/BasicRate; Prog = 1; %propagation time usec Retry = 7; %retry limit eCWmin = 7; eCWmax=7; sCWmin = 15; sCWmax=1023; save constant.mat * *Init16 function init16 = init16() load constant.mat; event_line=0; %nodewin=zeros(1,1); NodeStatus=zeros(2*NumberNode,10); %1-status: store timestamp=busy, =0: idle | 2-NAV|3-position|4-Rx of ser %msg|5-backoff counter|6-CW|7-successful count|8-collision count So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 34/39 n=NumberNode; NodeStatus(1:n,3)=randi([1 750],[n 1]);%one way highway length 1000m, creat location of node in the network NodeStatus(n+1:2*n,3)=NodeStatus(1:n,3); NodeStatus(1:n,6)=eCWmax; NodeStatus(n+1:2*n,6)=sCWmin; %create backoff counter NodeStatus(1:n,5)=randi([1 eCWmax],n,1); NodeStatus(n+1:2*n,5)=randi([1 sCWmin],n,1); %create destination node for ser transmission for i=n+1:2*n NodeStatus(i,4)= 2*n-i+n+1; %match dau cuoi end NIM(NumberNode,NumberNode)=0; %neighbor info map for i=1:n for j=1:n if i==j NIM(i,j)=3;%node itself else if abs(NodeStatus(i,3)-NodeStatus(j,3)) 50000*i break; end % % end fprintf('time end an interval: %d\n',pointer); %find timestamp of next interval in event_line to continue count = find(event_line >= (50000*(i+1)),1,'first'); pointer = event_line(count); pointer = 50000*(i+1); fprintf('time start a new interval: %d\n',pointer); clearstatus(pointer); end load Status.mat load result.mat succ = sum(NodeStatus(1:TotalNode,7));%cua emg drop = sum(NodeStatus(1:TotalNode,8)); pdr = succ/(succ+drop); sersuc = sum(NodeStatus(TotalNode+1:2*TotalNode,7));%cua service WSA So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 36/39 result = [result; 1609 simtime TotalNode EmgRate SerRate succ drop pdr sersuc]; save result.mat result *VCI function VCI=VCI(simtime,TotalNode,EmgRate,SerRate) constant(EmgRate,SerRate,TotalNode); load constant.mat init16(); load Status.mat load nim.mat load nodewin.mat load event.mat fprintf('node = %d, EmgRate = %d, SerRate = %d \n',TotalNode,EmgRate,SerRate); pkt_gen16(); load pkt.mat count=1; pointer=min(Packet(:,2)); Tcch=50000; for i=1:2:simtime/(Tcch) %interval of 50 ms, working on odd index interval only if (pointer >= ((Tcch)*i-(Tx_RTS+Tx_CTS+Tx_ACK+Prog)))&&(pointer size(event_line,2) fprintf(':)'); end pointer=event_line(1,count);%update pointer to the next event clearstatus(pointer); if pointer > (Tcch)*i break; end end elseif pointer size(event_line,2) fprintf(':)'); end pointer=event_line(1,count);%update pointer to the next event clearstatus(pointer); if pointer > (Tcch)*i break; end end else % % break; end fprintf('time end an interval: %d\n',pointer); %find timestamp of next interval in event_line to continue count = find(event_line >= (50000*(i+1)),1,'first'); pointer = event_line(count); pointer = (Tcch)*(i+1); fprintf('time start a new interval: %d\n',pointer); clearstatus(pointer); end load result.mat load Status.mat succ = sum(NodeStatus(1:TotalNode,7)); drop = sum(NodeStatus(1:TotalNode,8)); pdr = succ/(succ+drop); sersuc = sum(NodeStatus(TotalNode+1:2*TotalNode,7));%cua service WSA result = [result; 80211 simtime TotalNode EmgRate SerRate succ drop pdr sersuc]; save result.mat result So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 38/39 So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ... So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 30/39 Hình 5-16 Số lượng bắt tay gói tin dịch vụ tốc độ gói tin dịch vụ tăng lên So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET. .. giao thức MAC không tranh chấp kênh truy n (contention – free protocols) - Trong giao thức có tranh chấp kênh truy n, node cạnh tranh để truy cập kênh truy n có liệu muốn truy n Truy cập kênh truy n... yêu cầu giao thức định tuyến mạng VANET: • Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc nút mạng điều khiển tập trung So sánh giao thức truy cập đa kênh mạng VANET ĐỒ