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

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI1.1 Lời nói đầu Ngày nay, các hệ thống giao thông thông minh Intelligent Transportation System ITS đều hướng đến việc sử dụng mạng truyền thông để quản lý giao thông hiệ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

SO SÁNH GIAO THỨC TRUY CẬP ĐA KÊNH CONTENTION-BASED CHO

MẠNG VANET

CCHI Control Channel Interval

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance

DC - MAC Dynamic - Cooperative MAC

DCF Distributed Coordination Function

EDCA Enhanced Distributed Channel Access

GPS Global Positioning System

ITS Intelligent Transportation System

QoS Quality of Service

SCHI Service Channel Interval

WAVE Wireless Access in Vehicular Environment

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Lời nói đầu

Ngày nay, các hệ thống giao thông thông minh (Intelligent Transportation System ITS) đều hướng đến việc sử dụng mạng truyền thông để quản lý giao thông hiệu quảhơn, tăng độ an toàn cho người tham gia giao thông, và cung cấp các dịch vụ tiệních và giải trí cho người dùng trong lúc tham gia giao thông như dịch vụ bản đồ,hướng dẫn đường đi, khả năng truy cập internet, xem video hay nghe nhạc trựctuyến… Mạng di động tùy biến giao thông (Vehicle Adhoc NETwork – VANET)được thiết kế cho ITS dựa trên nguyên lý của mạng di động tùy biến (Mobile AdhocNETwork – MANET) So với MANET, các phương tiện tham gia giao thông (gọi lànode) trong mạng VANET có độ di dộng rất cao, dẫn đến cấu hình mạng thay đổiliên tục

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

ở lớp vật lý: 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 Phát triển dựa trênnguyên lý của giao thức MAC cho mạng MANET, chuẩn IEEE 1609.4 đưa ra cơchế truy cập đa kênh dành cho mạng VANET Cơ chế truy cập của IEEE 1609.4 tuyđược thiết kế cho đa kênh truyền nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về mặt sử dụng băngthông hiệu quả và vấn đề xung đột đồng bộ (synchronized collision problem) khi cónhiều node cùng tranh chấp truy cập kênh truyền tại một thời điểm Vì vậy, việcthiết kế các giao thức MAC cho mạng VANET trở thành một trong những xu hướngnghiên cứu hiện hành trên thế giới với yêu cầu về cơ chế truy cập hiệu quả, đảm bảokhả năng truy cập và sử dụng kênh truyền một cách đồng đều nhất cho các nodetham gia mạng

Trong luận văn này, giao thức VCI với cơ chế điều chỉnh linh hoạt tỷ lệ độ dài giữaCCH và SCH một cách linh động giải quyết vấn đề xung đột đồng bộ và sử dụngbăng thông kênh truyền một cách hiệu quả

1.2 Cấu trúc đồ án tốt nghiệp

Cấu trúc Đồ án tốt nghiệp được trình bày như sau:

• Chương 1: Giới thiệu đề tài

• Chương 2: Giới thiệu về mạng VANET

• Chương 3: Giao thức MAC

• Chương 4: Giới thiệu giao thức IEEE 1609.4 & VariableControl channel Interval (VCI)

• Chương 5: Đánh giá giao thức IEEE 1609.4 & giao thứcVariable Control channel Interval (VCI)

• Chương 6: Kết luận

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG VANET

Ví dụ như nếu nút mạng rời khỏi mạng sẽ gây ra sự cố mất liên kết, nút mạng bị ảnhhưởng có thể yêu cầu đường định tuyến mới và vấn đề sẽ được giải quyết Như vậyđiều này chỉ gây trễ trên mạng mà không ảnh hưởng đến người sử dụng vì mạngAd-hoc vấn hoạt động bình thường

2.2 Mạng VANET

Mạng VANET( Vehicular Ad- Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe dichuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động VANET biếnmỗi xe tham gia giao thông thành một Router( Bộ định tuyến) hay một nút khôngdây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ100m tới 300m, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng Do các xe có thể

đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những chiếc xe khác có thểtham gia, kết nối với các phương tiện khác nên một mạng Internet di động được tạonên

Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tìnhtrạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh vànhững dịch vụ đa phương tiện, Internet…

Mục đích:

- Cung cấp sự an toàn và thoải mái cho người tham gia điều khiển phươngtiện giao thông Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện

giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Ad-hoc cho người tham gia giao thông Mạngnày hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng, cho phép liên lạc đơngiản Mỗi thiết bị trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhậnhoặc làm trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây.

Hình 2-1 Mô hình mạng VANET [1]

Xét ví dụ cụ thể như nếu xảy ra va chạm giữa các phương tiện trên đường, các tínhiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng VANET tới các phương tiện tham giagiao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải quyết sự cố, đảm bảo

an toàn cho các phương tiện khác Hoặc có thể trao đổi thông tin về tình trạng giaothông giữa các xe với nhau để đưa ra lộ trình phù hợp nhất

Hình 2-2 Cảnh báo nguy hiểm cho các phương tiện giao thông với nhau [1]

2.3 Những hệ thống trong mạng VANET

2.3.1 Hệ thống giao tiếp hai chiều

Chế độ này cho phép kết nối giữa hai xe để trao đổi thông tin hai chiều với nhau.

Hình 2-3 Giao tiếp hai chiều [1]

Thực hiện chế độ hai chiều gồm 4 giai đoạn:

- Giai đoạn phát hiện

- Giai đoạn kết nối

- Giai đoạn trao đổi dữ liệu

+ Thực hiện một giao tiếp hai chiều giữa hai xe để trao đổi tin nhắn vào các thờiđiểm thích hợp

- Xe Y(Responder) cần phải:

+ Trả lời tất cả các yêu cầu kết nối

+ Xác thực và kiểm tra sự thật của các tin nhắn từ xe khác

+ Thực hiện một giao tiếp hai chiều giữa hai xe để trao đổi tin nhắn vào một thờiđiểm thích hợp

Như vậy các Iniator cũng như các Responder có thể đóng kết nối bất cứ lúc nào Do

sự trao đổi thông tin hai chiều có một số nhược điểm như phải chờ đợi sự chấp nhậnsau khi thông tin được gửi đi nên sự chậm trễ có thể xảy ra và có thể chậm hơn nữanếu thông 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]

Thông tin đồng thời chỉ lây lan với một nhóm xe ở một khu vực địa lý xác định nhưGeocast Các thông tin được phổ biến duy nhất trong mạng lưới của xe hoặc cácđơn vị bên lề đường – xem như một chiếc xe cố định.

Chế độ này thực hiện qua hai giai đoạn:

- Discovery là giai đoạn mà một trong những đơn vi xe bên lề đường quyếtđịnh gửi thông tic cho xe khác trong một khu vực cụ thể

- Update là giai đoạn mà người tham gia cung cấp thông tin được gắn với cácmong muốn của từng khu vực Khi những chiếc xe nhận được thông tin thì tiếnhành kiểm tra và quyết định giữ nó hay loại bỏ cho phù hợp

Xét hình vẽ trên:

Xe X( Receiver) cần phải:

+ Có được tin nhắn từ người gửi

+ Giãi mã các thông báo

+ Kiểm tra sự đúng đắn của các tin nhắn

Xe Y( Sender) cần phải:

+ Có được những thông tin( vị trí, vận tốc hoặc các thông tin lưu trữ khác)

+ Gói thông tin dữ liệu vào trong tin nhắn

+ Sử dụng một cơ chế Geocast để gửi tin nhắn cho các xe xung quanh

Như vậy chế độ này có ưu điểm là truyền tải thông tin trong một khu vực cụ thể, cókhả năng cung cấp các thông tin rất nhanh đến một số lượng xe lớn, giảm tải mạng

và tiết kiệm thời gian cho phổ biến thông tin

Nhược điểm của chế độ là chỉ truyền thông tin một cách có nghĩa là không có tươngtác với bên kia và không có xác nhận rằng thông tin đã truyền đến thành công chưa

2.3.3 Chế độ giao tiếp multi-hop dựa vào vị trí

Hình 2-5 Giao tiếp multi-hop [1]

Nhu cầu về thông tin trong một chuỗi xe, từ xe này đến xe khác cần phải nhiềubước nhảy mới đến đích Để làm được điều này thì một thuật toán định tuyến là các

xe phải tìm ngay một Hop bên cạnh

Trong chế độ định tuyến đòi hỏi có một cơ chế định vị trí của mỗi xe tham gia Cóhai định tuyến một là xác định vị trí các điểm đến, hai là chọn một trong các xe

“hàng xóm” để kế tiếp thông tin

2.4 Yêu cầu của các giao thức định tuyến trong mạng VANET

Trong mạng VANET, mọi nút mạng đều có khả năng di chuyển nên nó sẽ không cómột nút nào cố định để điều khiển chức năng mạng trung tâm Do đó, vấn đề màđược quan tâm đặc biệt là làm sao để các nút mạng “bắt tay nhau” và duy trì đượcquá trình truyền thông mà vẫn không lãng phí tài nguyên mạng Đã có nhiều đề xuất

và giải pháp định tuyến đã được đưa ra cho mạng VANET Các giao thức đó đều tậptrung vào giải quyết các hạn chế đặc biệt của mạng này, đó là về băng thông thấp, tỷ

lệ lỗi cao, năng lượng và khả năng tính toán thiết bị thấp

Một số yêu cầu đối với các giao thức định tuyến trong mạng VANET:

• Hoạt động phân tán: Giao thức cần hoạt động phân tán, không phụ thuộc nútmạng điều khiển tập trung

• Đường định tuyến hở: Để nâng cao chất lượng hoạt động, giao thức địnhtuyến cần đảm bảo được đường định tuyến cung cấp là đường mở, điều này

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

• Hoạt động dựa trên yêu cầu: Mục đích chính để tối thiểu hóa phần thông tinđiều khiển trong mạng là giao thức định tuyến chỉ tìm đường khi cần thiết vàkhông quảng bá liên tục

• Hỗ trợ các liên kết một chiều: Kết hợp với các liên kết hai chiều làm tăngchất lượng giao thức định tuyến

• Bảo mật: Sử dụng các phương pháp bảo mật cho mạng không dây để đảmbảo an toàn của thông tin trong quá trình truyền dẫn

• Bảo toàn năng lượng: Các thiết bị trong mạng VANET thường sử dụng pinrất giới hạn về mặt năng lượng, nên cần có chế độ chờ để tiết kiệm nănglượng

• Nhiều đường định tuyến: Nhằm giảm sự tác động do thay đổi topo mạng vàkhi nhiều đường định tuyến bị nghẽn Một đường định tuyến có sẵn sẽ giúpích cho việc kết nối trở lại mà không cần định tuyến tìm đường khác

• Hỗ trợ QoS: Nhiều loại QoS cần được sự hỗ trợ của các giao thức địnhtuyến, nó phụ thuộc vào mục đích của mạng, chẳng hạn sự hỗ trợ thời gianthực…

2.5 Các tham số đánh giá chất lượng

Một số tham số đánh giá chất lượng mạng VANET:

• Tỷ lệ gói nhận được tối ưu: Là tỷ lệ lớn nhất giữa số gói được nhận bởi nútmạng đích và số gói được gửi đi từ lớp ứng dụng

• Phần tải thông tin định tuyến tối ưu: Là tỷ lệ phần tải nhỏ nhất dành chothông tin định tuyến

• Trễ từ đầu cuối đến đầu cuối tối ưu: Là thời gian ngắn nhất mà gói tin truyềntrên mạng từ nút mạng nguồn đến nút mạng đích

• Thông lượng từ đầu cuối đến đầu cuối tối ưu: Là khối lượng thông tin lớnnhất truyền trên đường truyền trong một đơn vị thời gian (Kbps)

• Đường truyền dẫn tối ưu: Là đường truyền dẫn ngắn nhất giữa hai nút mạng.

• Tải của mạng tối ưu: Là tải thực sự lớn nhất mà mạng đáp ứng, thể hiện quacác thông số: kích thước gói tin, số lượng kết nối, tốc độ gửi gói tin

• Kích cỡ mạng tối ưu: Được thể hiện qua số lượng nút mạng, kích thước vùng

mô phỏng lớn nhất có thể

CHƯƠNG 3 GIAO THỨC MAC

3.1 Giới thiệu giao thức MAC

MAC - Media access control thường được dùng như là một từ đồng nghĩa với giaothức đa truy nhập (multiple access protocol), do tầng con MAC cung cấp giao thức

và các cơ chế điều khiển cần thiết cho một phương pháp truy nhập kênh nhất định.Giao thức MAC được phân ra thành 2 loại: giao thức MAC có tranh chấp giữa cácnode khi truy cập kênh truyền (contention – based protocols) và giao thức MACkhông tranh chấp kênh truyền (contention – free protocols)

- Trong các giao thức có tranh chấp kênh truyền, các node sẽ cạnh tranh đểtruy cập kênh truyền khi có dữ liệu muốn truyền Truy cập kênh truyền dựa trên cơchế cảm nhận sóng mang tránh xung đột (Carrier Sense Multiple Access/CollisionAvoidance – CSMA/CA) Nếu nhiều node đều cảm biến được kênh truyền đang rỗi

và truyền dữ liệu cùng lúc sẽ dẫn đến va chạm ở đích đến giữa các gói dữ liệu đượctruyền Các giao thức dựa trên cơ sở này không đảm bảo được việc truyền dữ liệuthành công Trong các ứng dụng thực tế, những giao thức loại này thường có tỷ lệmất gói dữ liệu cao và độ trễ truyền rất lớn

- Ngược lại, trong các giao thức không tranh chấp kênh truyền, việc truy cậpkênh truyền được thực hiện dựa trên cơ chế mà tại một thời điểm chỉ cho phép mộtnode sử dụng kênh truyền

Một chủ đề chung cho tất cả các thủ tục này là đặt một “chế độ ngủ” của radio vớinăng lượng thấp theo chu kỳ hoặc vào bất cứ lúc nào có thể thực hiện được khi 1node không nhận hoặc không truyền

3.2 Giao thức MAC cho mạng tùy biến không dây

Chuẩn IEEE 802.11 chỉ rõ cơ chế truy cập kênh tryền và sử dụng kênh truyền ở lớpvật lý cho mạng LAN không dây Chuẩn này bao gồm giao thức truy cập dựa vào cơchế tranh chấp kênh truyền (Distributed Coordination Function – DCF) và giao thứcdựa trên cơ chế hỏi dò nếu các node trong mạng có thông tin cần truyền (Point

Coordination Function – PCF), trong đó DCF sử dụng khi không yêu cầu đến chấtlượng dịch vụ (Quality of Service – QoS) còn PCF sử dụng cho mạng có yêu cầu vềQoS Phần này chỉ trình bày về IEEE 802.11 DCF

IEEE 802.11 DCF hoạt động dựa vào cơ chế lắng nghe kênh truyền trước khi thamgia tranh chấp (CSMA) Chi tiết về cơ chế được minh họa ở Hình 1.1, trong đó mộtnode bất kỳ khi có gói tin sẵn sàng để truyền sẽ lắng nghe kênh truyền Nếu nghekênh truyền rỗi trong một khoảng thời gian liên khung trong DCF (DCF InterFrameSpace – DIFS), node đó sẽ bắt đầu quá trình backoff Thời gian backoff (giá trịbackoff) được chọn theo phân bố đều trong khoảng cửa sổ tranh chấp (ContentionWindow – CW) Ban đầu, CW được đặt ở giá trị CWmin, sau mỗi lần truyền thấtbại, giá trị CW tăng lên gấp đôi cho đến khi đạt CWmax Bộ đếm thời gian backoff

sẽ giảm đi một sau mỗi khe thời gian mà node cảm biến được kênh truyền rỗi Khi

bộ đếm về đến không thì node sẽ bắt đầu gửi gói tin yêu cầu truyền (Request ToSend – RTS) Trong quá trình backoff, bộ đếm sẽ dừng nếu node cảm biến đượckênh truyền bận, và bộ đếm sẽ tiếp tục đếm lùi từ giá trị dừng trước đó khi nodecảm biến được kênh truyền rỗi lâu hơn một khoảng DIFS Sau khi nhận được gói tinRTS thành công, node nhận gửi gói tin xác nhận yêu cầu truyền (Clear To Send –CTS), theo sau là gói dữ liệu (DATA) và gói tin xác nhận dữ liệu(ACKnowledgement – ACK) Các node lân cận nghe được các gói tin trên sẽ cài đặtvector trì hoãn cảm biến kênh truyền (Network Allocation Vector – NAV)

Hình 3-6 Cơ chế hoạt động của IEEE 802.11 DCF [2]

Nếu node gửi không nhận được CTS sau một khoảng thời gian thì node sẽ cài đặt

bộ đếm thử lại (retry counter) tăng lên một Khi biến đếm thử lại đạt giới hạn thử lại(retry limit) thì node gửi loại bỏ gói tin đó ra khỏi buffer Các gói tin được truyềncách nhau một khoảng thời gian liên khung ngắn (Short InterFrame Space – SIFS)

CHƯƠNG 4 GIỚI THIỆU GIAO THỨC IEEE 1609.4 VÀ VARIABLE CONTROL CHANNEL INTERVAL

4.1 Giao thức IEEE 1609.4

Mạng VANET sử dụng chuẩn IEEE 802.11p cho lớp MAC Do mạng VANET cóđặc điểm độ di động rất cao đưa đến cấu hình mạng thay đổi liên lục, vì vậy ngoàichuẩn IEEE 802.11p, chuẩn IEEE 1609.4 được phát triển sử dụng trên nền IEEE802.11p hỗ trợ MAC đa kênh trong mạng VANET

Chuẩn IEEE 802.11p hoạt động ở 5.9 GHz, và lớp vật lý tương tự như chuẩn IEEE802.11a Chuẩn IEEE 802.11p hỗ trợ việc truyền thông tin với tốc độ từ 3 Mbps đến

27 Mbps payload trên băng thông 10 MHz Chuẩn này đưa ra mục tiêu hỗ trợ phạm

vi truyền lên đến 1000 m với vận tốc đi chuyển tương đối của các phương tiện cóthể đạt 30 m/s Lớp MAC sử dụng giao thức truy cập kênh truyền theo kiểu phântán nâng cao (Enhanced Distributed Channel Access – EDCA) EDCA định nghĩa 4đối tượng truy cập kênh truyền (Access Category – AC) với độ ưu tiên khác nhau.Mỗi luồng AC hoạt động như một trạm DCF độc lập sử dụng hàm EDCA để tranhchấp truy cập kênh truyền Thứ tự ưu tiên giữa các AC được nhận biết bằng cách sửdụng khoảng liên khung tùy ý (Arbitrary Inter Frame Space – AIFS) Mỗi AC sửdụng các thông số: hệ số AIFS (AIFS Number – AIFSN), CWmin và CWmax khácnhau Trong đó, BK là các đối tượng thuộc loại background (Background traffic –BK), BE là các đối tượng thuộc loại cố gắng truyền tốt nhất (Best Effort traffic –BE), VI là các đối tượng truyền video (Video traffic – VI) và VO là các đối tượngtruyền thoại (Voice traffic – VO)

Trong IEEE 802.11p, tại mỗi node có 4 luồng AC hoạt động như 4 trạm độc lập.Nếu luồng ACx (với x là chỉ số của mỗi luồng, x = 1, 2, 3, 4) có gói dữ liệu sẵn sàngtrong buffer và kênh truyền được cảm biến rỗi trong khoảng thời gian AIFS[x] thì

bộ đếm thời gian backoff sẽ được kiểm tra Nếu giá trị của bộ đếm thời gian backoffkhác 0 thì hàm EDCA sẽ giảm giá trị của bộ đếm, ngược lại hàm EDCA sẽ cho phép

truyền gói tin dữ liệu Do tại mỗi node có 4 luồng AC nên sẽ có xác suất xảy ra vachạm gói tin khi có nhiều hơn một AC truyền dữ liệu cùng một thời điểm Để tránhviệc va chạm này, bên trong mỗi node sẽ có một hàm làm nhiệm vụ hẹn thời gianbằng cách gán giá trị cơ hội truyền dữ liệu (Transmission Opportunity – TXOP) choluồng AC được ưu tiên nhất

Bộ chuẩn IEEE 1609 được đưa ra dành cho việc truy cập không dây trong môitrường giao thông (Wireless Access in Vehicular Environment – WAVE) Bộ chuẩnnày gồm các chuẩn được sử dụng ở các lớp khác nhau như minh họa trong Hình 4-

1, trong đó chuẩn IEEE 1609.4 đưa ra cơ chế truy cập đa kênh truyền

Hình 4-7 Chức năng của bộ chuẩn IEEE 1609 [3]

Về việc phân chia thời gian của chuẩn IEEE 1609.4, chuẩn này còn định nghĩa thêmkhoảng bảo vệ (guard interval) phục vụ cho việc chuyển giữa các kênh hoặc sai lệchthời gian đồng bộ giữa các thiết bị Thời gian trong chuẩn IEEE 1609.4 được minhhọa như Hình 4-2 Trong khoảng bảo vệ, các node không được bắt đầu truyền dữliệu Nếu việc truyền dữ liệu vẫn đang diễn ra khi đến khoảng bảo vệ mới thì sẽ có

cơ chế chọn hủy việc truyền dữ liệu