Đề xuất giao thức định mạng VANET cho giao thông Đồng bằng Sông Cửu Long

1. Tính cấp thiết của đề tài

Thực tế, tại Việt Nam, trong thời gian qua, nhờ nỗ lực của các cấp, các ngành từ Trung ương tới địa phương, tai nạn giao thông tuy có giảm, nhưng việc giảm vẫn chưa bền vững, vẫn còn xảy ra nhiều vụ tai nạn giao thông đặc biệt nghiêm trọng. Do đó, việc thực hiện các giải pháp nhằm giảm tai nạn giao thông, hướng tới an toàn giao thông, nhất là an toàn giao thông đường bộ không những là nhiệm vụ có tính quốc tế, nhiệm vụ của mỗi quốc gia và các cơ quan chuyên môn về an toàn giao thông, mà còn là nhiệm vụ của các tổ chức, cá nhân và của mỗi người dân.

Thủ tướng Chính phủ vừa qua đã ban hành nhiều chính sách tổng thể về công tác bảo đảm trật tự ATGT cùng với nhiều giải pháp đồng bộ đồng thời đã triển khai quyết liệt, đồng bộ các giải pháp từ hoàn thiện thể chế chính sách, tuyên truyền phổ biến, giáo dục pháp luật về bảo đảm trật tự ATGT, phát triển kết cấu hạ tầng giao thông, tăng cường áp dụng khoa học công nghệ trong quản lý giao thông nhất là giao thông đô thị…

Trong các chiến lược giải quyết ùn tắc giao thông việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ thông tin trong điều hành giao thông đô thị, chủ yếu tập trung đầu tư phát triển hệ thống giao thông thông minh đang được các cấp quan tâm.

Mạng lưới cơ sở hạ tầng giao thông Việt Nam mặc dù đang được đầu tư mạnh mẽ và dần hoàn thiện, nhưng vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu về phát triển kinh tế. Song song với việc phát triển mạng lưới đường giao thông là phát triển cơ sở hạ tầng thông tin nhằm hỗ trợ nâng cao hiệu quả về vận hành và quản lý của hệ thống giao thông.

Việc truyền thông tin giao thông đến người điều khiển phương tiện nhanh chóng, kịp thời, chính xác là rất cần thiết để lưu thông được thông suốt và đảm bảo an toàn cũng như nâng cao sự hài lòng của người tham gia giao thông.

Trong thời gian qua đã có nhiều nổ lực nghiên cứu được thực hiện để tích hợp công nghệ điện toán và truyền thông vào xe cộ, điều này dẫn đến sự phát triển của hệ thống giao thông thông minh, góp phần cải thiện an toàn và lưu thông xe cộ một cách có hiệu quả.

Việc xây dựng một hệ thống tích hợp sẵn trên các xe tham gia giao thông, bao gồm các thiết bị hoạt động một cách tự động, các thiết bị này có thể liên lạc được với nhau nhằm hỗ trợ tài xế một cách tốt nhất. Khi số lượng xe được trang bị máy thu phát không dây để giao tiếp với các phương tiện khác gia tăng tạo thành một lớp đặc biệt của mạng không dây di động MANET, được gọi là mạng xe cộ ad hoc hoặc VANET đây cũng chính là yếu tố quan trọng góp phần tạo nên hệ thống giao thông thông minh.

Mỗi xe tham gia giao thông tạo thành một nút không dây, do được cấu thành từ các nút mang tính cơ động cao, vì thế VANET không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng cố định, do đó các kiến trúc liên kết của mạng thay đổi nhanh chóng. Các giao thức định tuyến trong VANET là rất quan trọng trong việc hỗ trợ hệ thống giao thông thông minh (ITS). Như một điều kiện tiên quyết để thông tin liên lạc, các giao thức định tuyến VANET phải thiết lập một tuyến đường hiệu quả giữa các nút mạng.

Việc mô phỏng giao thông Việt Nam và mô phỏng sự hoạt động của các giao thức định tuyến từ đó giúp ta so sánh được hiệu suất của từng giao thức, phân tích các thông số và tìm sự phù hợp của giao thức định tuyến trong mạng VANET cho điều kiện giao thông Việt Nam. Vì vậy, tôi chọn đề tài “Đề xuất giao thức định mạng VANET cho giao thông Đồng bằng Sông Cửu Long ” làm hướng nghiên cứu cho luận văn.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu và mô phỏng giao thức định tuyến DSDV, DYMO trong mạng VANET.

Mô phỏng giao thông Việt Nam Khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long.

So sánh, đánh giá hiệu suất định tuyến của giao thức DSDV, DYMO trong mạng VANET thông qua mô phỏng từ đó lựa chọn giao thức phù hợp cho giao thông khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Tìm hiểu các giao thức định tuyến trong mạng VANET, các công cụ mô phỏng như OpenStreetMap, SUMO, NS2.

Phạm vi nghiên cứu: áp dụng các công cụ mô phỏng như OpenStreetMap, SUMO, NS2 cho giao thông khu vực Đồng bằng sông Cửu Long.Thông qua việc so sánh, đánh giá hiệu suất định tuyến của giao thức DSDV, DYMO trong mạng VANET từ kết quả mô phỏng để chọn được giao thức phù hợp cho giao thông Đồng bằng sông Cửu Long.

4. Phương pháp nghiên cứu

Phân tích, tổng hợp để tìm hiểu lý thuyết về mạng Vanet, giao thức định tuyến trong Vanet, giao thức định tuyến DSDV, DYMO.Mô phỏng, đánh giá hiệu suất định giao thức định tuyến DSDV, DYMO.

5. Bố cục của luận văn

Chương 1. Tổng quan về mạng Vanet.

Trong chương đã trình bày khái niệm về mạng VANET, đặc điểm, cấu trúc, chức năng các thành phần mạng, một số ứng dụng và thách thức của nó. Đồng thời cũng đã so sánh mạng MANET và VANET, sơ lược về các giao thức định tuyến trên mạng VANET.

Chương 2. Giao Thức Định Tuyến Trong Mạng Vanet

Đặc điểm, cấu trúc mạng và việc lựa chọn để tìm được giao thức định tuyến phù hợp trong mạng VANET được trình bày khá rõ trong chương này. Phân tích, đánh giá về hiệu năng của hai giao thức định tuyến chủ ứng DSDV và giao thức phản ứng DYMO và cách thức hoạt động của 2 giao thức được trình bày cụ thể trong chương 2.

Chương 3. Mô Phỏng Mạng Vanet Cho Giao Thông Đồng bằng Sông Cửu Long.

Thông qua mô phỏng dựa trên bản đồ thực tế, sử dụng OpenMapStreet, SUMO kết hợp với NS2 để mô phỏng, áp dụng kịch bản mô phỏng thay đổi mật độ xe lưu thông trên bản đồ. Từ kết quả mô phỏng của 3 thông số tỷ lệ nhận gói tin, độ trễ trung bình đầu cuối, thông lượng trung bình để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến DSDV và DYMO trong mạng VANET.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET

Tổng quan về mạng VANET

VANET (Vehicular Ad-hoc NETwork – Mạng xe cộ tùy biến hay Mạng phương tiện giao thông tùy biến). Cho phép người tham gia giao thông giao tiếp với những người dùng khác thông qua mạng lưới nhà – văn phòng, và cung cấp kết nối không dây hiệu quả giữa các phương tiện giao thông mà không cần truy cập vào bất kỳ cơ sở hạ tầng cố định nào.

Mạng VANET là lớp con của mạng di động tùy biến (Mobile Aad-hoc Network – MANET). Mỗi phương tiện giao thông trong VANET là một thiết bị đầu cuối không dây hay là một nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100m tới 300m, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng.

VANET là một trong những giải pháp hỗ trợ cho cải thiện hệ thống giao thông thông minh (ITS), cung cấp những ứng dụng an toàn và tiện ích cho người tham gia giao thông. Các thiết bị VANET được gắn cố định trong phương tiện và có chức năng như các nút để truyền và nhận thông tin thông qua mạng không dây. Thông qua các thiết bị này lái xe và hành khách cập nhật và theo dõi các thông tin mới nhất về tình trạng giao thông của phạm vi mình quan tâm. Các thông tin có thể là tình hình tai nạn, lũ lụt, mưa, ùn tắc giao thông và bất kỳ rối loạn nào. Nhờ những thông tin này, lái xe có thể đưa ra quyết định phù hợp và tránh rủi ro.

VANET có những đặc điểm sau:

Cấu trúc liên kết biến động nhanh: Tính di chuyển nhanh của các phương tiện trong VANET dẫn đến sự thay đổi liên tục trong cấu trúc liên kết và sự sẵn có của nhiều đường dẫn làm cho VANET trở thành một cấu trúc liên kết rất chủ động.

Mô hình chuyển động có thể đoán trước: Mặc dù phương tiện chuyển động nhanh làm cho việc dự đoán vị trí và chuyển động của xe khó khăn, nhưng trong môi trường VANET hầu hết các xe đều di chuyển trên đường giao thông hoặc đường cao tốc được xác định trước nên điều này cho phép sử dụng mô hình chuyển động có thể dự đoán được trong thiết kế mạng VANET.

Tương tác với các cảm biến trên phương tiện: Cảm biến là phương tiện giao tiếp trong VANET. Cảm biến có thể giao tiếp với trung tâm dữ liệu chính bằng cách đọc dữ liệu liên quan đến vận tốc và hướng của xe. Do đó để tạo liên kết và trong bộ cảm biến giao thức định tuyến có thể được sử dụng

Không có ràng buộc về nguồn và lưu trữ pin: Các nút trong VANETs có dung lượng và bộ nhớ pin tốt hơn so với mạng cảm biến.

Kiến trúc và thành phần của mạng VANET

Kiến trúc mạng VANET

Trong mạng di động tùy biến VANET, thông tin có thể được gởi và nhận thông qua việc sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có hoặc mạng tùy biến hoặc bằng cách kết hợp cả hai.

Mạng VANET có thể được chia thành ba nhóm kiến trúc chính:

+Tế bào (cellular)/WLAN.

+Thuần tùy biến (pure ad hoc).

+Kiến trúc lai (hybrid).

Có ba loại giao tiếp thông tin chính trong mạng VANET:

+Giao tiếp giữa xe và xe (V2V)

+Giao tiếp giữa xe và cơ sở hạ tầng (V2I).

+Giao tiếp giữa cơ sở hạ tầng và xe (I2V).

Trong giao tiếp V2V, các xe có thể giao tiếp trực tiếp với nhau trong phạm vi không dây hoặc gián tiếp trong một chế độ đa chặng.

Giao tiếp V2I dùng trong trao đổi thông tin giữa xe và cơ sở hạ tầng, trong đó chủ yếu thông tin được đưa ra nhằm tránh hoặc giảm thiểu tai nạn giao thông đường bộ, bên cạnh đó còn có các thông tin về an toàn khác và lợi ích môi trường.

Trong giao tiếp I2V, cơ sở hạ tầng có thể phát sóng các thông điệp khác nhau đến các xe đang di chuyển như điều kiện đường xá hay thông tin giao thông. Điểm truy cập không dây (ví dụ như RSU) được sử dụng như cơ sở hạ tầng mạng. Các giao thức khác nhau có thể được sử dụng để tối đa hóa thông lượng cho các lái xe và hành khách như giao thức MAC (hoặc WiMAX (802.16e) cung cấp một liên kết end-to-end đáng tin cậy.

Các thành phần của mạng VANET

Trong mạng VANET bao gồm các thành phần sau:

+AU: là thiết bị được trang bị bên trong xe, sử dụng các ứng dụng của nhà cung cấp bằng cách giao tiếp với OBU.

AU có thể là một thiết bị chuyên dụng cho các ứng dụng an toàn hoặc một thiết bị bình thường như PDA để truy cập Internet, AU có thể được kết nối với các OBU thông qua một kết nối có dây hoặc không dây.

Các AU giao tiếp với các mạng chỉ qua OBU, vì vậy OBU chịu trách nhiệm cho tất cả các chức năng di động và kết nối mạng.

+OBU: là một thiết bị được gắn trên xe, được sử dụng để trao đổi thông tin với RSUs hoặc với OBUs khác. Nó bao gồm một tập xử lý lệnh nguồn (RCP) và tập nguồn bao gồm bộ nhớ đọc/ghi được sử dụng để lưu trữ và truy xuất thông tin, một giao diện người dùng, giao diện chuyên dụng để kết nối với OBUs khác để giao tiếp không dây trong phạm vi ngắn dựa trên công nghệ IEEE 802.11p.

Các chức năng chính của OBU là truy cập vô tuyến không dây, định tuyến địa lý, kiểm soát tắc nghẽn mạng, truyền tin đáng tin cậy, bảo mật dữ liệu.

+RSU: được đặt cố định dọc đường tạo thành cơ sở hạ tầng mạng, RSUs làm việc như một router giữa các xe. Các RSUs cung cấp quyền truy cập cơ sở hạ tầng và các dịch vụ mạng. Chúng được vận hành bởi các nhà cung cấp dịch vụ bên thứ ba.

Mỗi chiếc xe được trang bị một OBU và một bộ cảm biến để thu thập và xử lý thông tin sau đó gửi thông điệp tới các loại xe khác hoặc RSUs thông qua các phương tiện không dây. RSU cũng có thể kết nối Internet hoặc kết nối đến một máy chủ khác và từ đó cho phép các AU từ nhiều phương tiện có thể kết nối Internet.

Các RSU được trang bị một thiết bị mạng cho một giao tiếp sóng ngắn chuyên dụng (DSRC) dựa trên 802.11p IEEE và cũng có thể được trang bị với các thiết bị mạng khác để sử dụng cho các mục đích giao tiếp trong cơ sở hạ tầng mạng.

Các chức năng chính của RSU là:

• Mở rộng phạm vi giao tiếp của mạng ad hoc bằng cách phân phát lại các thông tin cho OBUs khác và gửi thông tin đến RSUs khác để chuyển tiếp thông tin đến OBUs khác.
• Chạy các ứng dụng an toàn như một cảnh báo kẹt xe, cảnh báo tai nạn hoặc khu vực làm việc, sử dụng cơ sở hạ tầng thông tin liên lạc xe (V2I) và đóng vai trò như một nguồn cung cấp thông tin.
• Cung cấp kết nối Internet đến OBUs.

Ứng dụng và thách thức của mạng VANET

Ứng dụng

Các loại ứng dụng VANET khác nhau được phân loại như sau:

Ứng dụng an toàn: những cảnh báo như cảnh báo va chạm hợp tác, cảnh báo thay đổi làn đường, video tuyến khẩn cấp, và quản lý sự cố, được gửi trực tiếp đến các lái xe hoặc nhận được của các hệ thống an toàn tự động kích hoạt.

Hệ thống giao thông thông minh (ITS): được thấy qua một loạt các ứng dụng như trên hệ thống định vị toàn cầu, quan sát giao thông, phân tích các ách tắc giao thông, quản lý của hệ thống giao thông, và chuyển hướng của tuyến đường có hỗ trợ các kịch bản giao thông.

Tránh va chạm: Theo ứng dụng này, nếu một chiếc xe giảm tốc độ của nó đáng kể một khi xác định một tai nạn, sau đó xe phát sóng vị trí của nó đến các xe hàng xóm của mình. Những xe thu nhận khác nhau có thể truyền tải các thông điệp đến các xe phía sau họ và do đó các xe có thể phát ra một số báo động cho xe của mình và các loại xe khác nhau đằng sau. Trong quá trình này, rất nhiều xe cách sau có thể có được một tín hiệu báo động trước khi họ nhìn thấy tai nạn và có thể có quyết định tốt hơn.

Hợp tác lái xe: Các lái xe đóng một vai trò quan trọng trong ứng dụng này. Ví như tắt cảnh báo xung đột, cảnh báo vi phạm, cảnh báo đường cong, cảnh báo sáp nhập làn đường… Các dịch vụ này có thể làm giảm những tai nạn gây nguy hiểm cho cuộc sống. Trong thực tế, một số các tai nạn xảy ra do sự thiếu hợp tác của những lái xe. Với rất nhiều thông tin liên quan đến các cuộc xung đột có thể xử lý được, ứng dụng sẽ ngăn chặn nhiều vụ tai nạn.

Cải thiện giao thông: Trong ứng dụng này, xe có thể có chức năng tập trung thông tin và chuyển các thông tin giao thông sắp đặt có thứ tự cho VANET. Các xe có thể phát hiện ra nếu số lượng xe lân cận là quá lớn hoặc tốc độ của xe quá chậm, sau đó chuyển dữ liệu này đến các xe gần vị trí đó. Các thông tin được chuyển bởi các xe theo hướng khác nhau nên được truyền đi nhanh hơn đến các xe ở vị trí tắc nghẽn. Các phương tiện ở vị trí tắc nghẽn có thể có đủ thời gian để giải quyết trên các tuyến đường khác nhau.

Ứng dụng tiện ích: Ứng dụng tiện ích là những ứng dụng VANET gắn liền với mức độ tiện ích cho du khách, như thu phí điện tử, thanh toán bãi đậu xe và quản lý giao thông. Các ứng dụng khác có thể cung cấp cho lái xe, hành khách là thông báo tình hình thời tiết, thông tin giao thông, chi tiết vị trí của các nhà hàng, trạm xăng gần nhất hoặc khách sạn và giá cả.

Thách thức

VANET có một số thách thức như mạng bị ngắt kết nối thường xuyên, các ràng buộc trễ, bảo mật.

• Mạng bị ngắt kết nối thường xuyên.
• Ràng buộc trễ hạn chế: Tại một số trường hợp, việc gửi tin nhắn khẩn cấp đúng lúc rất cần thiết so với tốc độ dữ liệu cao.
• Mô hình di động.
• Bảo mật và xác thực..
• Tính toàn vẹn và riêng tư.
• Tính khả dụng và khả năng mở rộng.

So sánh mạng VANET và mạng MANET

Kết luận chương

Trong chương 1 đã trình bày các nội dung tổng quan về mạng VANET. Cụ thể, khái niệm về mạng VANET, đặc điểm, cấu trúc, chức năng các thành phần mạng, một số ứng dụng và thách thức của nó. Đồng thời chương 1 cũng đi so sánh mạng MANET và VANET. Các giao thức định tuyến trên mạng VANET sẽ được giới thiệu trong chương 2.

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG VANET

Giới thiệu chung

VANET có một số đặc điểm chung giống mạng MANET như khả năng tự tổ chức, tự quản lý, tuy nhiên có một số điểm khác biệt đó là các nút có tính di động cao, mật độ các nút thường xuyên thay đổi, các kết nối bị ngắt thường xuyên, cấu trúc liên kết thường xuyên thay đổi … Điều này dẫn đến việc định tuyến trong mạng VANET là một thách thức lớn .

Định tuyến trong VANET phải đáp ứng được các yêu cầu sau: phát hiện nhanh và đáp ứng kịp thời với những thay đổi của cấu trúc mạng; xây dựng và lựa chọn tuyến; truyền dữ liệu trên tuyến đã chọn. Thêm vào đó, phải chú ý đến lượng thông tin báo hiệu cũng như thời gian trễ trong quá trình truyền gói.

Có rất nhiều giao thức định tuyến, phân chia những giao thức này thành hai nhóm chính:

+Các giao thức định tuyến dựa vào cấu trúc liên kết trong mạng (Topology Based Routing)

+Các giao thức định tuyến dựa vào thông tin vị trí (Position Based Routing).

Giao thức định tuyến dựa trên cấu trúc mạng (Topology Based)

Giới thiệu chung

Định tuyến dựa vào cấu trúc mạng sử dụng các thông tin về cấu trúc liên kết mạng và các thông tin về các liên kết truyền thông để làm quyết định định tuyến, chuyển tiếp gói tin từ nguồn tới đích. Phương pháp tiếp cận định tuyến dựa trên cấu trúc liên kết có thể được phân loại làm ba nhóm, như hình.

• Giao thức định tuyến chủ ứng (Proactive)
• Giao thức định tuyến phản ứng (Reactive)
• Giao thức định tuyến lai (Hybrid)

Giao thức định tuyến chủ ứng (Proactive)

Trong giao thức định tuyến chủ ứng, thông tin của tất cả các nút liên quan được lưu trữ ở dạng bảng, giao thức này còn được gọi là giao thức dựa vào các bảng.

Hình 2. 1-Phân nhóm giao thức định tuyến Topology-based trong mạng VANET

• DSDV (Destination-sequenced distance vector)

DSDV sử dụng phương pháp khoảng cách ngắn nhất của các vec tơ làm thuật toán định tuyến.

• OLSR (Optimized link state routing)

Trong OLSR, tất cả các nút trong mạng lựa chọn một cặp nút láng giềng gọi là đa điểm chuyển tiếp (MPR) và truyền lại các gói tin của nó.

Giao thức định tuyến phản ứng (Reactive)

Giao thức định tuyến phản ứng còn được gọi là định tuyến theo yêu cầu bởi vì nó thiết lập một tuyến đường đến đích bất cứ khi nào một nút có yêu cầu gởi tin, do đó làm giảm gánh nặng trên mạng.

Ưu điểm của giao thức này là chỉ thực hiện có yêu cầu, tiết kiệm được băng thông và tốn ít bộ nhớ hơn. Nhưng cũng có nhược điểm là có độ trễ cao trong quá trình tìm kiếm tuyến đường và có sự gián đoạn liên lạc giữa các nút. Các loại khác nhau của giao thức định tuyến phản ứng là TORA, AODV, DSR …..

• TORA (Temporally Ordered Routing Algorithm)

TORA thực hiện ba nhiệm vụ: tạo ra một con đường từ một nguồn tới đích, duy trì tuyến đường, loại bỏ đường nếu nó không còn giá trị.

• AODV (Ad hoc on-demand distance vector)

AODV duy trì và tìm kiếm ra các đường định tuyến chỉ khi có một nhu cầu cần thiết về truyền thông giữa các node riêng biệt.

• DSR (Dynamic source routing)

Giao thức định tuyến này bao gồm hai giai đoạn cơ bản: khám phá tuyến đường và duy trì tuyến đường.

Giao thức định tuyến lai (Hybrid)

Để mở rộng khả năng định tuyến và hiệu quả hơn, giao thức định tuyến lai kết hợp đặc điểm của cả hai giao thức định tuyến chủ ứng và phản ứng. Đặc điểm chung của các giao thức lai là giảm thiểu chi phí mạng, xử lý các chậm trễ và cải thiện khả năng mở rộng của mạng, thực hiện những khám phá tuyến đường tốt hơn.

• Giao thức ZRP (Zone Routing Protocol)

Đặc điểm chung của giao thức ZRP là nó làm giảm chi phí trong mạng là do định tuyến kiểu chủ ứng và nó cũng xử lý các sự chậm trễ trong mạng được gây ra bởi giao thức định tuyến phản ứng và thực hiện tìm kiếm tuyến đường hiệu quả hơn.

Giao thức định tuyến dựa vào vị trí (Position Based)

Với bản chất năng động và khả năng linh động của mạng VANET, các nút trong mạng hoạt động rất nhanh chóng và thay đổi vị trí thường xuyên đòi hỏi những phương pháp định tuyến thích hợp để có thể đối phó với môi trường mạng.

Giao thức định tuyến DSDV

Giới thiệu chung

DSDV là giao thức định tuyến chủ ứng trong đó sự duy trì tuyến đường đến các nút được thiết lập trước khi nó được yêu cầu.

DSDV dựa trên ý tưởng của thuật toán định tuyến kinh điển Bell – Man –Ford với một chút cải tiến.

Cơ chế hoạt động của DSDV

Mỗi node luôn duy trì một bảng định tuyến đến các node khác trong mạng. Thông tin của một mục trong bảng định tuyến bao gồm:

• Địa chỉ của node đích
• Số hop đến đích (hop – count)
• Hop kế tiếp
• Số sequence number của node đích

DSDV phụ thuộc vào thông tin quảng bá định kỳ nên nó sẽ tiêu tốn thời gian để tổng hợp thông tin trước khi đường định tuyến được đưa vào sử dụng.

Giao thức định tuyến DYMO

Giới thiệu chung

DYMO là sự kết hợp hoàn hảo của AODV và DSR, với mục đích là tối ưu hóa và giảm thiểu yêu cầu hệ thống, đơn giản hóa việc thực thi các giao thức, trong khi vẫn giữ được những chế độ hoạt động cơ bản của AODV.

DYMO là một giao thức chuyển tiếp dữ liệu phản ứng có nghĩa là các tuyến đường được tính toán và duy trì chỉ khi nó được yêu cầu.

Cơ chế quản lý bảng định tuyến

Trong DYMO các tuyến được tìm thấy khi một nút có yêu cầu kết nối đến một nút nguồn hiện không có trong bảng định tuyến của nó. Khi đó bản tin RREQ được phát đi nếu gói tin RREQ này đến được đích thì bảng tin RREP sẽ được gửi trở lại và đường dẫn sẽ được tích lũy.

Cách thức cập nhật bảng định tuyến

Để cập nhật bảng định tuyến, khi một nút muốn liên lạc với một nút nó sẽ phát đi bản tin RREQ yêu cầu tuyến. Số thứ tự của nút sẽ được tăng lên khi bản tin RREQ được phát đi.

Quản lý sự thay đổi topo mạng

Với sự thay đổi cấu trúc topo mạng, thì các bản tin điều khiển topo được truyền đi với mục đính cung cấp cho mỗi nút trong mạng các thông tin liên kết trạng thái đầy đủ để cho phép tính toán được tuyến đường.

Phản ứng với sự thay đổi Topology hay sự duy trì tuyến đường để đảm bảo sự liên kết hoạt động duy trì các tuyến, cập nhật bảng địch tuyến trong một thời gian hợp lệ. Khi có một liên kết bị đứt nó phải đáp ứng và phát đi bản tin RRER.

Kết luận chương

Chương 2 trình bày tổng quan về các giao thức định tuyến trong mạng VANET.

Với đặc điểm là mạng có tính năng động cao và cấu trúc mạng thay đổi nhanh chóng, để tìm được giao thức định tuyến phù hợp trong mạng VANET là một thách thức. Một số giao thức có thể phù hợp với mạng VANET trong môi trường này nhưng không phù hợp trong môi trường khác.

Chương này giới thiệu về giao thức định tuyến chủ ứng DSDV và giao thức phản ứng DYMO, cách thức hoạt động của 2 giao thức để ta hiểu rõ hơn về hai giao thức, giúp cho việc mô phỏng, phân tích và đánh giá về hiệu năng của hai giao thức trong các kịch bản mô phỏng được xây dựng ở chương 3 được tốt hơn.

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG MẠNG VANET CHO GIAO THÔNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG

Giới thiệu công cụ mô phỏng

Công cụ NS2 (Network Simulator – Version 2):

NS2 là một môi trường giả lập cho việc nghiên cứu, kiểm tra, thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các mô hình mạng phức tạp. Việc nghiên cứu, kiểm tra, thiết kế các giao thức, các kiến trúc mới, so sánh các giao thức và tạo ra các mô hình mạng phức tạp thì công cụ NS2 là nơi tạo ra môi trường giả lập đáp ứng cho việc nghiên cứu trên.

Công cụ mô phỏng giao thông đường bộ SUMO (Simulation of Urban Mobility)

SUMO cho phép người sử dụng xây dựng một cấu trúc đường phố tùy chỉnh và cũng chấp nhận những định dạng bản đồ thực tế khác nhau bởi nó là một mã nguồn mở.

Hình 3. 1-Giao diện SUMO

Công cụ MOVE ( MObility model generator for VEhicular network)

MOVE (Mô hình di động cho mạng lưới xe cộ) là một ứng dụng dựa trên nền Java được xây dựng trên SUMO (Mô phỏng các Mobility Urban) với sự hỗ trợ giao diện đồ họa. MOVE hỗ trợ một công cụ trực quan rất tốt và tập trung chủ yếu vào các tính năng cấp độ giao thông.

OpenStreetMap

OpenStreetMap là nền tảng lập bản đồ dựa trên nền web. Các bản đồ OSM được lưu trữ trên mạng internet và mọi người đều có thể sử dụng nó bất cứ lúc nào.

Cài đặt các công cụ

Cài đặt NS2

3.2.2 Cài đặt SUMO

SUMO cài đặt thành công khi xuất hiện giao diện như bên hình dưới

Giao diện SUMO khi được cài đặt thành công và được áp dụng

Các bước tiến hành mô phỏng

Bước 1:Tạo bản đồ giao thông

Bước 2: Xuất sang NS2

Kịch bản mô phỏng

Tính di động và lưu lượng truy cập kịch bản giống hệt nhau được sử dụng trên các giao thức DSDV, DYMO để thu thập kết quả công bằng.

Kịch bản mô phỏng 1:

Số lượng xe chạy trong khu vực mô phỏng lần lượt là 20 xe, 40 xe, 80 xe và 120 xe. Mỗi chiếc xe được coi như là một nút di động di chuyển về phía trước trong một thời gian ngẫu nhiên.

Chi tiết như bảng 3-1 sau:

Bảng 3- 1.Thông số kịch bản mô phỏng mạng VANET theo kịch bản 1

Kịch bản mô phỏng 2:

Chi tiết như bảng 3-2 sau:

Bảng 3- 2:Thông số kịch bản mô phỏng mạng VANET theo kịch bản 2

Kết quả thu được sẽ thực hiện so sánh hiệu năng của hai giao thức DSDV và DYMO với kịch bản mô phỏng 1 khi mật độ xe thay đổi ứng với số lượng kết nối trong mạng lần lượt là 5 kết nối và 10 kết nối; với kịch bản mô phỏng 2 khi tốc độ tối đa của xe thay đổi. Từ đó, có thể đưa ra kết luận giao thức nào phù hợp với mạng VANET hơn.

Kết quả được so sánh theo các thông số khác nhau: tỉ lệ giao nhận gói tin (PDR), độ trễ đầu cuối trung bình (E2E Delay), thông lượng mạng trung bình, tải định tuyến chuẩn hóa (NRL).

Thông số đánh giá, so sánh

Các thông số đánh giá

(1) Tỉ lệ giao nhận gói tin (Packet Delivery Ratio)

Số liệu này cung cấp tỷ lệ phần trăm của tổng số các gói dữ liệu nhận được thành công tại các điểm đến và tổng số các gói dữ liệu được tạo tại nguồn. Tỷ lệ giao nhận gói cao hơn có nghĩa là giao thức định tuyến đó có hiệu suất tốt hơn.

(3-1)

(2) Độ trễ đầu cuối trung bình (Average End-to End Delay)

Thông số này tính toán thời gian điển hình của gói tin (trung bình các gói dữ liệu) để thực hiện chuyển gói tin từ điểm nguồn đến điểm đích. Với thông số này, giao thức định tuyến có giá trị nhỏ hơn thì tốt hơn.

(3-2)

Thông thường độ trễ trung bình được đo bằng ( s ) hoặc ( ms )

(3) Thông lượng trung bình (Average Throughput)

Thông số này được tính bằng số lượng dữ liệu trung bình của các gói dữ liệu phân phối thành công trong mạng. Đó là tỷ lệ của các gói dữ liệu truyền thành công trong một đơn vị thời gian trong mô phỏng mạng. Các giao thức định tuyến có thông lượng trung bình lớn hơn thì hiệu suất tốt hơn.

(3-3)

Thông thường thông luợng trung bình được đo bằng bit trên giây (bps) hoặc Kilo bit mỗi giây (kbps).

(4) Tải định tuyến chuẩn hóa (Normalized Routing Load)

Tải định tuyến chuẩn hóa được định nghĩa là tổng số các gói tin định tuyến được truyền trên mỗi gói dữ liệu gửi đến đích. Nó được tính bằng cách chia tổng số các gói tin định tuyến được gửi (bao gồm các gói tin định tuyến chuyển tiếp) cho tổng số các gói dữ liệu nhận được. Số liệu này cũng là liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi số lượng tuyến đường xảy ra trong mô phỏng. Thông số này giúp ta hiểu hơn các giao thức định tuyến trên tuyến; tức là có bao nhiêu gói kiểm soát là cần thiết (cho việc khám phá/duy trì tuyến đường) để vận chuyển các gói dữ liệu tới các điểm đích thành công. Các giao thức định tuyến có thông số NRL nhỏ hơn thì tốt hơn.

(3-4)

Kết quả mô phỏng, so sánh, đánh giá giao thức định tuyến DYMO, DSDV

Kịch bản mô phỏng 1

Tỉ lệ giao nhận gói tin

Sau khi thực hiện mô phỏng, ta thu được kết quả về tỉ lệ giao nhận gói tin như bảng 3.3.

Bảng 3- 3:Tỉ lệ giao nhận gói tin thành công của DSDV và DYMO

Độ trễ đầu cuối trung bình

Sau khi thực hiện mô phỏng, ta thu được kết quả về tỉ lệ độ trễ đầu cuối trung bình như bảng 3.4.

Bảng 3- 4.Độ trễ đầu cuối trung bình (AD) của DSDV và DYMO

Thông lượng mạng trung bình

Sau khi thực hiện mô phỏng, ta thu đựợc kết quả về thông lượng mạng trung bình (AT) như bảng 3.5.

Bảng 3- 5.Thông lượng trung bình của DSDV và DYMO

Thông qua 3 thông số của kết quả mô phỏng ta có thể so sánh như sau:

Bảng 3- 6. So sánh giao thức DSDV và DYMO

Tỷ lệ nhận gói tin: PR % của giao thức DYMO hoạt động ổn định hơn DSDV ngay cả khi mật độ xe thay đổi.

Độ trễ Trung bình đầu cuối: AD% của giao thức DYMO thấp hơn giao thức DSDV khi tăng mật độ xe lên.

Thông lượng Trung bình: AT % của giao thức DYMO giảm ở mật độ xe thấp và ổn định khi tăng mật độ xe lên.

Hiệu năng của giao thức DYMO ổn hơn DSDV khi xe lưu thông ở khu vực nội ô.

Hiệu năng của giao thức DSDV ổn hơn DYMO khi xe lưu thông ở khu vực đường cao tốc.

Từ kết quả mô phỏng cho thấy:

Kịch bản 1: DYMO hoạt động ổn định hơn DSDV mặt dù độ trễ trung bình của DYMO cao hơn DSDV.

Kịch bản 2:

– Tỉ lệ nhận gói tin: DYMO ổn định và lơn hơn hơn DSDV.

– Độ trễ: của giao thức DYMO cao hơn giao thức DSDV

– Thông lượng trung bình: DSDV ổn định hơn DYMO.

Hiệu năng của DSDV ở kịch bản này ổn hơn DYMO.

Đề xuất : Giao thức DYMO cho giao thông ở khu vực nội ô, DSDV cho giao thông ở khu vực cao tốc.

Kết luận chương

Chương này trình bày cách thức xây dựng mô hình mô phỏng và kịch bản mô phỏng để đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến DSDV và DYMO trong mạng VANET. Mô hình mô phỏng dựa trên bản đồ thực tế, sử dụng OpenMapStreet, SUMO kết hợp với NS2 để mô phỏng, áp dụng kịch bản mô phỏng thay đổi mật độ xe lưu thông trên bản đồ.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trong luận văn này, tôi đã thực hiện được:

Tìm hiểu lý thuyết, tổng quan về mạng VANET, những kiến trúc, đặc trưng, các giao tiếp, kết nối trong mạng VANET.

So sánh những khác nhau cơ bản của mạng MANET và mạng VANET.

Luận văn cũng tập trung nghiên cứu về các giao thức định tuyến trong mạng VANET, tìm hiểu hoạt động của giao thức định tuyến chủ ứng DSDV và giao thức định tuyến phản ứng DYMO

Tìm hiểu các công cụ mô phỏng mạng VANET.

Thực hiện mô phỏng mạng VANET, phân tích, đánh giá hiệu năng của giao thức định tuyến cho mô hình giao thông Đồng bằng sông Cửu Long và đề xuất được các giao thức tương ứng cho từng trường hợp cao tốc và thành phố.

Hạn chế:

Luận văn chưa thực hiện trong môi trường thực tế, chỉ ở mức độ mô phỏng thực hiện tại khu vực giao thông nhỏ.

Thực hiện mô phỏng chỉ với 2 giao thức DYMO và DSDV.

Hướng phát triển:

– Nghiên cứu thực hiện trên thực tế với quy mô khảo sát rộng hơn, áp dụng nhiều kịch bản khác nhau.

– Mô phỏng với nhiều giao thức khác nhau.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN DUY TAN\LUAN VAN CO TUYET\BUI THI MY TIEN