- Hà Nội, ngày ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH Ths. - Lê Ngọc Hưng2 1 Viện Công nghệ Thông tin, Đại học Quốc gia Hà Nội 2 Công ty VKX,Tập đoàn VNPT TÓM TẮT - Phương pháp định tuyến của mạng không dây trong hệ thống giao thông thông minh (ITS) là vấn đề được giới nghiên cứu quan tâm trong những năm gần đây. - Sự hạn chế về tài nguyên của nút mạng là thách thức nhằm tìm ra các giải pháp nhằm giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng, yêu cầu về bộ nhớ và độ phức tạp của chức năng định tuyến. - Nhiều giải pháp định tuyến được đề xuất cho mạng truyền thông đặc thù này. - Nhóm nghiên cứu đã xây dựng môi trường mô phỏng tích hợp các phần mềm mô phỏng như: NS-2, MOVE, SUMO để đánh giá năng lực các giao thức trên theo tiêu chí như thông lượng gói tin và trễ gói tin. - Bài báo trình bày kết quả đánh giá một số giao thức định tuyến như AODV, DSR và DSDV bằng phương pháp mô phỏng theo 2 kịch bản: trong mạng không dây nói chung và áp dụng trong hệ thống giao thông thông minh. - Kết quả mô phỏng đã làm rõ khả năng của các giao thức định tuyến này khi được sử dụng trong hệ thống giao thông thông minh. - MẠNG KHÔNG DÂY VÀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH Vehicular Ad Hoc Network (VANET) là mạng truyền thông trong hệ thống giao thông thông minh, kết nối các đầu cuối trên phương tiện giao thông qua mạng không dây như IEEE 802.11, 3G và 4G [1]. - Mạng không dây được sử dụng trong hệ thống ITS như ở Hình 1. - Với VANET, ITS sử dụng công nghệ cho phép thực hiện các ứng dụng liên quan đến xe cộ, phương tiện giao thông, người điều khiển, hành khách tham gia giao thông và cả người đi bộ. - ITS với mục tiêu là điều phối, sắp xếp hoạt động của xe cộ, phương tiện giao thông, cung cấp và các thông tin giao thông cho người điều khiển xe cộ, cùng với các ứng dụng thuận tiện cho hành khách. - Để phục vụ toàn bộ các ứng dụng cũng như các yêu cầu của hệ thống giao thông thông minh, cần có một hạ tầng mạng không dây kết nối với các phương tiện giao thông cũng như các giao thức định tuyến [2]. - Thiết bị đầu cuối được gắn trên phương tiện giao thông (OBE. - Mạng không dây trong hệ thống ITS. - [3] ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH 145 II. - GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN A. - Giao thức DSDV DSDV (Destination-Sequenced Distance-Vector Routing) là dựa trên thuật toán Distance vector. - Giao thức này được xây dựng dựa theo tiêu chí giữ nguyên sự đơn giản của giải thuật Bellman-Ford và loại bỏ vấn đề vòng lặp. - Để tránh lặp, định tuyến DSDV gắn số thứ tự chẵn cho mỗi đường. - Số thứ tự được gắn bởi nút đích, được gửi trong gói tin cập nhập. - Khi ấy, trong gói tin cập nhật kế tiếp, sẽ quảng bá đường tới đích này có số chặng bằng vô hạn (Metric. - Khi một nút nhận được thông tin mới về một tuyến đường, tuyến này sẽ được chọn nếu nó có số thứ tự lớn hơn các số thứ tự khác của cùng tuyến đó trong bảng định tuyến. - Để làm giảm kích thước gói tin cập nhập, DSDV sử dụng hai loại bản tin cập nhật là. - Bản tin điệp này bao gồm toàn bộ thông tin định tuyến mà nút đó biết đến thời điểm đó. - Hai loại bản tin cập nhật này được lưu vào hai bảng khác nhau, một bảng để chuyển tiếp các gói tin đầy đủ, một để phát các gói tin cập nhật. - Gói tin cập nhật đầy đủ chỉ được phát thường xuyên khi các nút thường xuyên di chuyển, khi mạng ít thay đổi, chủ yếu chỉ có gói tin cập nhật bổ sung được gửi đi. - Giao thức định tuyến dựa vào Vector khoảng cách theo yêu cầu AODV AODV (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) là giao thức dựa vào thuật toán Vector khoảng cách. - Nó phát quảng bá một gói yêu cầu tuyến (RREQ) đến các nút lân cận. - Trong suốt quá trình chuyển tiếp RREQ, các nút trung gian ghi vào Bảng định tuyến của chúng địa chỉ của các nút lân cận từ khi nhận được bản sao đầu tiên của gói quảng bá, theo đó thiết lập được một đường dẫn theo thời gian. - Khi RREP được định tuyến ngược theo đường dẫn, các nút trên đường dẫn đó thiết lập các thực thể tuyến chuyển tiếp trong Bảng định tuyến của chỉ nút mà nó nhận được RREP. - Ngô Mạnh Dũng Trong AODV, các tuyến được duy trì điều kiện như sau: Nếu một nút nguồn chuyển động, nó phải khởi động lại giao thức khám phá tuyến để tìm ra một tuyến mới đến đích. - Ngoài ra, giao thức này sử dụng bản tin HELLO được phát quảng bá định kỳ bởi một nút để thông báo cho tất cả các nút khác về những nút lân cận của nó. - Các bản tin HELLO có thể được sử dụng để duy trì khả năng kết nối cục bộ của một nút. - Tuy nhiên, việc sử dụng bản tin HELLO là không cần thiết. - Giao thức định tuyến nguồn động DSR Giao thức DSR (Dynamic Source Routing) là một giao thức định tuyến phản ứng từ nút nguồn. - Định tuyến nguồn động (DSR) [8] Giao thức này bao gồm 2 giai đoạn chính: a) Khám phá tuyến và b) Duy trì tuyến. - Nếu không, nó thêm địa chỉ của nó vào Bảng ghi định tuyến của gói và sau đó chuyển tiếp gói trên các đường truyền ngõ ra. - Để giới hạn số yêu cầu tuyến phát trên các đường truyền ngõ ra của nút, một nút chỉ chuyển tiếp yêu cầu tuyến nếu nó chưa biết yêu cầu đó và nếu địa chỉ của nút di động chưa xuất hiện trong Bảng định tuyến. - Đến lúc gói có thể đạt đến đích hay đến một nút trung gian như thế, nó chứa một bảng định tuyến cho biết số tuần tự chặng đã trải qua. - Nếu nút tạo ra đáp ứng tuyến là đích thì nó đặt bảng định tuyến chứa trong yêu cầu tuyến vào đáp ứng tuyến. - Nếu nút tương ứng là một nút trung gian, nó gắn thêm tuyến trong bộ nhớ đệm của nó vào bảng định tuyến và sau đó tạo ra một đáp ứng tuyến. - Nếu nó có một tuyến để khởi đầu trong bộ nhớ đệm tuyến của nó, nó có thể sử dụng tuyến đó. - Việc duy trì tuyến được hoàn thành thông qua sử dụng các gói lỗi tuyến và các bản tin xác nhận. - Các bản tin xác nhận như thế bao gồm cả xác nhận thụ động (khi nút di động có thể theo dõi việc chuyển tiếp gói ở chặng kế tiếp trên tuyến) ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH 147 III. - ĐÁNH GIÁ GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DSDV, AODV VÀ DSR BẰNG MÔ PHỎNG A. - Xây dựng môi trường mô phỏng Nhóm nghiên cứu đã xây dựng môi trường mô phỏng tích hợp các phần mềm mô phỏng MOVE, SUMO và NS2 để đánh giá các giao thức định tuyến trong mạng giao thông thông minh (xem Hình 4). - Quy trình mô phỏng mạng không dây trong ITS. - NS2 dùng để mô phỏng các giao thức mạng. - Nó cung cấp hỗ trợ đáng kể cho mô phỏng giao thức TCP/IP, định tuyến và các giao thức Multicast trên mạng có dây và không dây.[10. - SUMO (Simulation of Urban Mobility): là phần mềm chuyên mô phỏng giao thông đường bộ trong thành phố, cho phép xây dựng một hệ thống giao thông tùy chỉnh hoặc nhập từ một bản đồ thực tế. - Phần mềm sẽ đưa ra cái nhìn trực quan về hệ thống giao thông được mô phỏng. - MOVE (MObility model generator for VEhicular networks): là công cụ sử dụng khá dễ dàng để nhanh chóng mô phỏng VANET. - Bằng cách cung cấp một tập hợp các giao diện đồ họa, MOVE cho phép người dùng nhanh chóng tạo ra các kịch bản mô phỏng thực tế. - Đầu ra của MOVE là một tập tin dạng TRACE chứa thông tin về giao thông và kịch bản giao thông xe. - Từ tập tin TRACE có thể truy xuất ra để mô phỏng bẳng phần mềm NS-2 và SUMO. - Đánh giá giao thức DSDV, AODV và DSR trong mạng không dây. - Nghiên cứu dưới đây đưa ra một phân tích định lượng thực tế so sánh hiệu suất của các loại giao thức định tuyến không dây khi áp dụng cho thông tin liên lạc. - Nó cho thấy hiệu suất tương đối của ba giao thức định tuyến được đề xuất cho mạng không dây là: DSDV, AODV và DSR. - Các giao thức này được đánh giá trong mạng không dây và kết quả mô phỏng được trình bày ở Hình 5 và Hình 6. - Kết quả mô phỏng cho thấy, khi mạng vào trạng thái ổn định, giao thức AODV có thông lượng cao nhất (tỷ lệ số gói tin nhận/ truyền) so với DSDV và DSR. - So sánh về thời gian trễ trung bình, giao thức DSDV có thời gian trễ trung bình nhỏ hơn DSR và AODV. - ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH 148 Thời gian trễ trung bình (s) Thời gian mô phỏng (s) Hình 5. - Tỉ lệ số gói tin nhận/truyền của Hình 6. - Đánh giá giao thức AODV trong mạng VANET Kịch bản sẽ mô phỏng số lượng 100 xe chạy liên tiếp nhau trên đường và đánh giá khả năng truyền thông tin giữa các xe với nhau. - Các thông số và giá trị mô phỏng được miêu tả ở Bảng 1. - Cấu hình mô phỏng Thông số Giá trị Đường truyền Wireless Giao diện vật lý Physical Wireless Giao thức định tuyến AODV Kích thước mô phỏng 1000 x 1000m2 Thời gian mô phỏng 100 s Giao thức truyền TCP Số làn đường 1 Tốc độ xe 40 m/s Tiêu chuẩn mạng không dây IEEE 802.11 1) Kết quả mô phỏng khi không có các điểm thu phát bên đường. - Thông lượng trung bình khi các xe cách nhau 300m là 550 gói/TIL (TIL là đơn vị thời gian mặc định). - Với khoảng cách 500m, thông lượng trung bình xấp xỉ bằng 500 gói/TIL, song tại một số thời điểm thông lượng bị rớt đột ngột. - Khi khoảng cách là 700m, thông lượng trung bình là 400 gói/TIL, song thông lượng không ổn định theo thời gian – đây là tình huống rớt đường truyền. - Thông lượng với khoảng cách là 300m Hình 8. - Thông lượng với khoảng cách là 500m Hình 9. - Thông lượng với khoảng cách là 700m ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH 149 Hiện tượng gói tin bị rớt nhìn chung khá ít khi khoảng cách giữa 2 xe là 300m. - Khi khoảng cách là 500m, số lượng gói tin không tới đích tăng đáng kể, khoảng từ giây 23 tới giây 65, thông lượng gói tin bị rớt nhiều nhất vào khoảng 400 gói /TIL. - Khi khoảng cách là 700m, lượng gói tin không đến đích từ giây 23 tới giây 70 tăng đột ngột. - Có thời điểm thông lượng rơi gói tin là 900 gói /TIL, cao hơn cả mức lưu lượng có thể làm gián đoạn đường truyền. - Thông lượng gói tin bị rớt khi khoảng cách Hình 11. - Thông lượng gói tin bị rớt khi khoảng cách là 300m là 500m Hình 12. - Thông lượng gói tin bị rớt khi khoảng cách là 700m Khi khoảng cách giữa các phương tiện giao thông ngắn, ở mức 300m, sự gia tăng thông lượng kết nối không ảnh hưởng nhiều đến thời gian trễ. - Tuy nhiên khi khoảng cách ≥ 500 m, thời gian trễ khá lớn khi thông lượng ở mức trung bình, giảm xuống và ổn định hơn khi thông lượng tăng vượt qua ngưỡng này. - Trễ giữa hai đầu cuối khi khoảng cách là 300m. - Trễ giữa hai đầu cuối khi khoảng cách là 500m. - Trễ giữa hai đầu cuối khi khoảng cách là 700m. - Ngô Mạnh Dũng 2) Kết quả mô phỏng khi có các trạm thu phát bên đường. - Đây là tình huống các phương tiện giao thông có thể liên lạc với nhau thông qua các trạm thu phát vô tuyến được lắp đặt dọc theo trục giao thông. - Thông lượng trung bình khi các xe cách nhau 700m là 600 gói/TIL và tăng lên mức 1000 gói/TIL khi mạng ổn định. - Khi khoảng cách là 1000m, thông lượng trung bình là 600 gói/TIL, song thông lượng không ổn định theo thời gian, tại một số thời điểm, có hiện tượng rớt đường truyền. - Thông lượng với khoảng cách là 700m Hình 17. - Thông lượng với khoảng cách là 1000m Khi khoảng cách là 700-1000m, lúc khởi động mạng không dây, tần suất rớt gói tin xẩy ra thường xuyên, nhiều thời điểm ở mức 1000 gói/TIL. - Tuy nhiên, khi mạng đi vào trạng thái ổn định, mức độ gói tin bị rớt đã giảm xuống chỉ còn ≤ 200 gói/TIL. - Thông lượng gói tin bị rớt khi khoảng cách là Hình 19. - Thông lượng gói tin bị rớt khi khoảng cách là 700m 1000m Khi khoảng cách là 500 m, thời gian trễ khá lớn và không ổn định hơn khi thông lương tăng. - Khi khoảng cách tăng lên 1000 m, thời gian trễ khá lớn khi thông lượng ở mức trung bình, giảm xuống và ổn định hơn khi thông lượng tăng vượt qua ngưỡng này. - Trễ giữa hai đầu cuối khi khoảng cách là 1000m. - KẾT LUẬN Môi trường mô phỏng tích hợp các phần mềm mô phỏng như: NS-2, MOVE, SUMO đã thể hiện khả năng đánh giá năng lực các giao thức định tuyến trong hệ thống giao thông thông minh. - Đây là công cụ có thể được sử dụng để phát triển các giao thức mới cũng như đánh giá năng lực mạng truyền thông VANET khi triển khai các hệ thống giao thông thông minh trong thực tế. - ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN CỦA MẠNG KHÔNG DÂY TRONG HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH 151 Kết quả đánh giá một số giao thức định tuyến như AODV, DSR và DSDV được mô phỏng theo 2 kịch bản: trong mạng không dây nói chung và áp dụng trong hệ thống giao thông thông minh. - Khi sử dụng giao thức AODV trong mạng giao thông thông minh, mạng không dây có khả năng truyền thông tin tốt khi khoảng cách giữa hai xe là 300m, vẫn chấp nhận được khi khoảng cách tăng lên 700m nhưng sẽ xấu đi khi tăng lên 1000m. - Hoàn thiện tiếp môi trường mô phỏng để đánh giá năng lực các giao thức định tuyến không dây trong hệ thống giao thông thông minh với nhiều lựa chọn kết nối như IEEE 802.11, IEEE 802.16, 3G và 4G. - Đánh giá và thiết kế mới các giao thức định tuyến kết nối giữa các phương tiện giao thông (V2V) dựa theo cấu trúc mạng, vị trí và loại hình dịch vụ. - Đánh giá và thiết kế mới các giao thức định tuyến kết nối giữa phương tiện giao thông với hạ tầng mạng (V2I) dựa theo cấu trúc mạng không dây cố định, mạng thông tin di động