Xây dựng mạng adhoc di động cho quản lý giao thông, an ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên biển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI






BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

XÂY DỰNG MẠNG ADHOC DI ĐỘNG CHO QUẢN LÝ
GIAO THÔNG, AN NINH VÀ KIẾN NGHỊ ỨNG DỤNG
CHO THÔNG TIN CỨU HỘ TRÊN BIỂN



CNĐT : NGUYỄN VĂN ĐỨC

9034

HÀ NỘI – 2011




Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

1
Mục lục
Danh mục hình vẽ 5
Danh mục bảng biểu 10
Chương 1. Giới thiệu chung 15
1.1. Tổng quan 15
1.2. Tính cấp thiết 16
1.3. Thách thức kỹ thuật 17
1.3.1 Sự năng động của các nút mạng 17
1.3.2 Băng thông hạn hẹp và bất định 17
1.3.3 Đường truyền kém tin cậy 18
1.3.4 Môi trường liên lạc đa dạng 18
1.3.5 Dữ liệu đa phương tiện nhạy cảm với trễ 18
1.4. Mục tiêu nghiên cứu 19
1.5. Cách tiếp cận 19
1.6. Phương pháp nghiên cứu 20
1.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 21
1.7.1 Tình hình nghiên cứu trong cộng đồng khoa học quốc tế 22
1.7.2 Tình hình nghiên cứu và phát triển trong nước 28
1.8. Các hoạt động nhóm nghiên cứu đã triển khai 30
1.9. Hợp tác quốc tế 33

1.10. Kết chương 33
Chương 2. Thiết kế giao thức truyền thông 34
2.1. Kiến trúc giao thức truyền thông 34
2.2. Nghiên cứu lựa chọn phương thức định tuyến cho mạng VANET 35
2.2.1 Phân loại các giao thức định tuyến 36
2.2.2 Lựa chọn giao thức định tuyến thích hợp phát triển cho mạng VANET 37
2.3. Định tuyến tùy biến theo vị trí và cân bằng tải 37
2.3.1 Cơ chế cân bằng tải 40
2.3.2 Cơ chế nhận biết chuyển động 41
2.3.3 Xây dựng thuật toán định tuyến 44
2.4. Giao thức truyền cho ứng dụng đa phương tiện 46
2.5. Điều khiển phiên thông tin 46
2.6. Quản lý địa chỉ 48
2.7. Điều khiển truy nhập kênh vô tuyến 49
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

2
2.7.1 Một số vấn đề lớp MAC trong mạng Ad Hoc 49
2.7.2 Kiến trúc lớp MAC của chuẩn IEEE 802.11 53
2.7.3 Đề xuất lớp MAC cho AdHoc dựa vào công nghệ OFDMA 56
2.7.4 Đề xuất kiến trúc lớp MAC dựa vào công nghệ OFDMA 59
2.7.5 Kịch bản mô phỏng cho mạng Ad Hoc 65
2.8. Kết chương 70
Chương 3. Thiết kế, chế tạo thiết bị liên lạc trên xe và bên đường 71
3.1. Yêu cầu và chỉ tiêu kỹ thuật 71
3.2. Kiến trúc hệ thống 71
3.3. Phát triển phần cứng 73
3.3.1 Bàn phím 73
3.3.2 Màn hình LCD cho thiết bị trung chuyển phi thể thức 76
3.3.3 Màn hình LCD cảm ứng cho thiết bị liên lạc kết cuối 82

3.3.4 Ngoại vi đa phương tiện 82
3.4. Tích hợp phần mềm 83
3.4.1 Hệ điều hành nhúng cho nút mạng 83
3.4.2 Phần mềm trung gian 84
3.5. Kết chương 86
Chương 4. Triển khai thực hiện phần mềm 87
4.1. Kiến trúc thiết kế phần mềm 87
4.2. Phần mềm định tuyến VANET 88
4.2.1 Module “Ứng dụng” 88
4.2.2 Module “upper interface” 89
4.2.3 Module “lower interface” 89
4.2.4 Module “beaconing” 89
4.2.5 Module “greedy forwarding” 89
4.2.6 Module “perimeter forwarding” 89
4.2.7 Module “state of neighbor” 89
4.2.8 Module “Bộ thu GPS” 89
4.2.9 Module “Chuyển đổi vị trí” 90
4.2.10 Moudule “kernel routing” 90
4.2.11 Moudule “socket”, “thread” 90
4.3. Phần mềm quản lý địa chỉ 91
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

3
4.3.1 Quản lý IP và Thu hồi IP được cấp 94
4.4. Phần mềm điều khiển phiên phân tán 95
4.4.1 Truyền ảnh 96
4.4.2 Truyền số liệu 98
4.4.3 Truyền tiếng nói 99
4.4.4 Truyền video 100
4.4.5 Phần mềm giám sát chuyển động xe cộ 101

4.4.6 Phần mềm dẫn đường cho lái xe 102
Chương 5. Kết quả triển khai thử nghiệm 104
5.1. Mô tả thí nghiệm 104
5.2. Kết nối mạng di động GSM/GPRS 106
5.3. Truyền thông đa phương tiện 108
5.4. Giám sát xe cộ 111
5.5. Năng lượng tiêu thụ của hệ thống phần mềm 117
5.6. Triển khai cho ứng dụng an ninh 118
5.7. Kết quả công cụ mô phỏng 118
5.7.1 Kịch bản chạy mô phỏng 118
5.7.2 Các kết quả đạt được trong quá trình mô phỏng 119
5.7.3 Kết luận 123
5.8. Kết chương 123
Chương 6. Kiến nghị cho thông tin biển 124
6.1. Các hệ thống thông tin trên biển truyền thống 124
6.1.1 Hệ thống truyền tin trên biển sử dụng sóng vô tuyến 124
6.1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh 128
6.2. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng Ad-hoc cho thông tin biển ở một số
nước 134
6.2.1 Giới thiệu chung 134
6.2.2 Đề xuất triển khai của một số nước 136
6.3. Các khuyến nghị về việc ứng dụng công nghệ mạng Ad-hoc cho thông tin
biển ở Việt Nam 146
6.3.1 Đề xuất về kiến trúc mạng 146
6.3.2 Tần số sử dụng 149
6.3.3 Mô hình suy hao 151
6.3.4 Điều khiển truy nhập 160
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

4

6.3.5 Điều khiển công suất 166
6.3.6 Giao thức định tuyến 169
6.4. Mô phỏng mạng Ad-hoc trong thông tin trên biển 186
6.4.1 Thiết kế chức năng hệ thống 186
6.4.2 Thiết kế giao diện hệ thống 189
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 191
KẾT QUẢ XUẤT BẢN 192
TÀI LIỆU THAM KHẢO 194


Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

5
Danh mục hình vẽ
Hình 1-1 Mô hình mạng di động đa chặng VANET (vehicluar ad hoc network) 16
Hình 1-2 Qui trình nghiên cứu 21
Hình 1-3 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của
hiện tượng suy giảm đường truyền 23
Hình 1-4 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của
che chắn (a) không tương quan và (b) tương quan 24
Hình 1-5 Công suất phía thu phụ thuộc và khoảng cách thu phát trên mô hình thực
tế, có ảnh hưởng của Pathloss, Shadowing và Multipath fading 24
Hình 1-6 Mô hình hệ thống thu phí tự động áp dụng tại Nhật Bản (electronic toll
collection - ETC) 27
Hình 1-7 Một số thiết bị tham khảo cho việc chế tạo hệ thống nhúng trong nước 29
Hình 2-1 Mô hình xuyên tầng 35
Hình 2-2 Greedy forwarding 38
Hình 2-3 Thuật toán Greedy forwarding lỗi, nút x muốn gửi gói đến nút D, nhưng
nút X lại không có hàng xóm nào gần D hơn X. 38
Hình 2-4 Thuật toán Perimeter 39

Hình 2-5 Mối quan hệ giữa Greedy forwarding và Perimeter forwarding 40
Hình 2-6 Thuật toán cân bằng tải mạng 40
Hình 2-7 Dự đoán chuyển động của nút 42
Hình 2-8 Dự đoán hướng chuyển động của nút 43
Hình 2-9 Cơ chế tìm kiếm vị trí của nút đích 44
Hình 2-10 Thuật toán xây dựng hàm định tuyến 45
Hình 2-11 Mô hình thiết kế giao thức điều khiển phiên 47
Hình 2-12 Mô hình phân lớp của cơ chế cấp phát-thu hồi địa chỉ 48
Hình 2-13 Vấn đề node ẩn (The hidden terminal problem) 49
Hình 2-14 Vấn đề node hiện (The exposed node problem) 51
Hình 2-15 Vấn đề Blocking (Node C is blocked) 52
Hình 2-16 Cơ chế cấp phát kênh dựa vào tín hiệu báo bận phát ra từ máy thu 57
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

6
Hình 2-17 Vấn đề về nhiễu đồng kênh CCI trong các hệ thống OFDMA/TDD 57
Hình 2-18 Công suất âm bận thu được tại máy phát 58
Hình 2-19 Cấu trúc khung lớp MAC 59
Hình 2-20 Sơ đồ thuật toán DSA 64
Hình 2-21 Kịch bản mạng Ad-hoc đơn giản hóa cho mô phỏng 65
Hình 2-22 Kết quả với mức ngưỡng khác nhau 66
Hình 2-23 Mô hình kịch bản tính toán thông lượng trong mạng Ad Hoc 67
Hình 2-24 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node : OBU1-RSU1 và OBU2-RSU2 67
Hình 2-25 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node: OBU1 –RSU2 và OBU2 –RSU1 . 68
Hình 2-26 Trường hợp kết nối giữa 2 cặp node : OBU1-RSU1 và OBU2-RSU12 . 69
Hình 3-1 Sơ đồ kiến trúc hệ thống 72
Hình 3-2 Sơ đồ khối chức năng 73
Hình 3-3 Bàn phím USB với các chữ cái thường a-z 75
Hình 3-4 Bàn phím USB với các chữ cái hoa A-Z 75
Hình 3-5 Bàn phím USB với các chữ số và kí tự đặc biệt 75

Hình 3-6 Bàn phím USB với các kí tự đặc biệt còn lại 76
Hình 3-7 Bàn phím USB sản phẩm 76
Hình 3-8 Sơ đồ kết nối LCD nhúng với bo nhúng 77
Hình 3-9 Khung giao diện chính trên LCD nhúng 78
Hình 3-10 Frame giao diện Commander trên LCD nhúng 79
Hình 3-11 Sơ đồ hoạt động LCD nhúng 80
Hình 3-12 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (1) 80
Hình 3-13 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (2) 81
Hình 3-14 Bàn phím ảo trên LCD nhúng (3) 81
Hình 3-15 Hình ảnh LCD nhúng tích hợp bàn phím cứng 81
Hình 3-16 Màn hình cảm ứng với bàn phím ảo 82
Hình 3-17 Bên trong thiết bị nhúng trung gian trên hiện trường 83
Hình 3-18 Sơ đồ khối bàn phím USB 84
Hình 3-19 Giải thuật quét ma trận phím 85
Hình 3-20 Quét phím có chọn chế độ 86
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

7
Hình 4-1 Tổng quan triển khai phần mềm thực thi thiết kế xuyên tầng 87
Hình 4-2 Kiến trúc giao thức định tuyến 88
Hình 4-3 Thứ tự các gói tin 91
Hình 4-4 Quản lí Ip được cấp 94
Hình 4-5 Cơ chế điều khiển phiên 96
Hình 4-6 Sơ đồ khối ứng dụng xem ảnh từ webserver 97
Hình 4-7 Sơ đồ khối ứng dụng xem ảnh trên OBU 98
Hình 4-8 Mô hình truyền số liệu 99
Hình 4-9 Mô hình truyền tiếng nói giữa các OBU 99
Hình 4-10 Mô hình chia sẻ video 100
Hình 4-11 Sơ đồ chức năng giám sát chuyển động xe cộ 101
Hình 4-12 Sơ đồ chức năng dẫn đường 102

Hình 5-1 Sản phẩm OBU 104
Hình 5-2 RSU- Board nhúng 105
Hình 5-3 Hệ thống OBU-RSU-SERVER 106
Hình 5-4 RSU chuyển tiếp dữ liệu từ OBU đồng thời chụp ảnh gửi lên server 107
Hình 5-5 Server nhận dữ liệu từ RSU 107
Hình 5-6 Server nhận dữ liệu từ RSU 108
Hình 5-7 OBUchụp ảnh gửi về server qua GPRS 108
Hình 5-8 Mô hình thí nghiệm truyền thông đa phương tiện 109
Hình 5-9 Truyền ảnh 2 chiều đa chặng 109
Hình 5-10 Truyền file đa chặng 110
Hình 5-11 Đo tốc độ file đa chặng (> 64kb/s) 110
Hình 5-12 Truyền tiếng nói 2 chiều đa chặng 111
Hình 5-13 Giao diện website 112
Hình 5-14 Hiển thị chuyển động của obu trên website 112
Hình 5-15 Hiển thị vị trí của phương tiện cho tài xế trên xe 113
Hình 5-16 Demo chức năng tìm kiếm địa danh 114
Hình 5-17 Tìm kiếm đường đi 115
Hình 5-18 Dẫn đường bằng text 115
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

8
Hình 5-19 Chức năng tìm kiếm trạm xăng 116
Hình 5-20 OBU gửi dữ liệu gps tới rsu 116
Hình 5-21 Dữ liệu RSU nhận về 117
Hình 5-22 Kịch bản mô phỏng 119
Hình 5-23 Đồ thị so sánh tỉ lệ mất gói khi tốc độ truyền là 400Kbps 120
Hình 5-24 Đồ thị tốc độ mất gói khi tốc độ bit thay đổi từ 50Kbps đến 400Kbps. 120
Hình 5-25 Đồ thị tốc độ mất gói khi chu kì gửi bản tin beacon thay đổi 121
Hình 5-26 Đồ thị so sánh trễ ở tốc độ 300Kbps 121
Hình 5-27 Đồ thị so sánh số nút trung gian trung bình 122

Hình 5-28 Đồ thị so sánh overhead với chu kì gửi gói tin beacon là 2s 123
Hình 6-1 Hệ thống thông tin INMARSAT 129
Hình 6-2 Cấu hình sao và cấu hình lưới của mạng VSAT-IP 132
Hình 6-3 Mô hình thông tin biển 1 135
Hình 6-4 Mô hình thông tin biển 2 136
Hình 6-5 Mô hình thông tin biển 3 136
Hình 6-6 Mô hình mạng NANET gần bờ 137
Hình 6-7 Mô hình mạng NANET xa bờ [54] 139
Hình 6-8 Sơ đồ khối hệ thống IMCS. 140
Hình 6-9 Sơ đồ triển khai hệ thống IMCS 141
Hình 6-10 Mô hình thuật toán lựa chọn cách thức giao tiếp 144
Hình 6-11 Hệ thống mạng mesh trên nền tảng WiMAX. 145
Hình 6-12 Triển khai thực nghiệm mạng ad-hoc dải tần 27/40 Mhz 145
Hình 6-13 Đề xuất mô hình mạng thông tin gần bờ 146
Hình 6-14 Đề xuất mô hình mạng thông tin xa bờ 147
Hình 6-15 Sự thay đổi chiều cao anten gây ra suy hao truyền sóng 152
Hình 6-16 Sự thay đổi góc nghiêng của anten gây ra thay đổi tăng ích anten 152
Hình 6-17 Mô hình suy hao truyền sóng 2 tia 154
Hình 6-18 Hệ số kH ứng với sóng phân cực ngang 158
Hình 6-19 Hệ số ∝H ứng với sóng phân cực đứng 158
Hình 6-20 Hệ số kV ứng với sóng phân cực đứng 159
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

9
Hình 6-21 Hệ số ∝
V
ứng với sóng phân cực đứng 159
Hình 6-22 Ảnh hưởng của mức công suất phát 160
Hình 6-23 Network Allocation Vector 163
Hình 6-24 CSMA/CA không sử dụng back-off time 164

Hình 6-25 CSMA/CA có sử dụng back-off time 164
Hình 6-26 Contention Window 165
Hình 6-27 CSMA/CA sử dụng RTS/CTS 165
Hình 6-28 Phân mảnh gói dữ liệu truyền dẫn 166
Hình 6-29 Ảnh hưởng của công suất đến kiến trúc mạng 166
Hình 6-30 Ảnh hưởng của công suất phát đến quá trình định tuyến và nhiễu node
lân cận 167
Hình 6-31 Điều khiển công suất trong quá trình khám phá tuyến 168
Hình 6-32 Định tuyến AODV 171
Hình 6-33 Nội dung bản tin RREQ 172
Hình 6-34 Nội dung bản tin RREP 173
Hình 6-35 Nội dung bản tin RRER 174
Hình 6-36 Ví dụ về các khả năng gây ra vòng lặp tự do trong việc tính toán đa
đường 178
Hình 6-37 Link disjointness 180
Hình 6-38 Ý tưởng chính trong việc tính toán tuyến là link disjoint 181
Hình 6-39 Vai trò của thông tin last hop 182
Hình 6-40 Minh họa tuyến là link disjoint 182
Hình 6-41 Cấu trúc bảng định tuyến của AODV và AOMDV 183
Hình 6-42 Thuật toán xử lí yêu cầu gửi 187
Hình 6-43 Thuật toán xử lí bản tin 188
Hình 6-44 Giao diện hệ thống mô phỏng 189




Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

10
Danh mục bảng biểu

Bảng 0-1 Danh mục các thuật ngữ viết tắt 11
Bảng 0-2 Danh mục các sản phẩm đề xuất 12
Bảng 0-3 Danh mục sản phẩm đạt được trên thực tế 12
Bảng 0-4 Tài chính 13
Bảng 0-5 Báo cáo tiến độ 13
Bảng 0-6 Hợp tác quốc tế 14
Bảng 2-1 Bảng phân loại các chuẩn khác nhau trong 802.11 53
Bảng 5-1 Thông số mô phỏng 118
Bảng 6-1 Bảng phân chia dải tần 124
Bảng 6-2 Các giao diện vô tuyến triển vọng cho hệ thống 148
Bảng 6-3 Bảng Pierson-Moskowitz - Các cấp trạng thái của biển 152

















Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

11
Bảng 0-1 Danh mục các thuật ngữ viết tắt
Thuật
ngữ
Giải nghĩa Ghi chú
ABR Average Bit Rate Tốc độ bít trung bình
BS

Base Station

Tr
ạm c
ơ s
ở

CQP Constant Quantization
Parameter

Tham số lượng tử không đổi
CR Cummulative Rate Tốc độ tối đa tổng cộng.
CRF Constant Rate Factor Hệ số tốc độ không đổi
DCT Discrete Cosine Transform Chuyển đổi cô-sin rời rạc
DR Demanded Rate Tốc độ bit phù hợp với chất lượng kênh truyền
tại từng thời điểm
DT Dequeuing Throughput Tốc độ gói phát ra ngoài ở đầu hàng đợi bên
phát.
ETX Expected Transmission
Count
Số lần truyền mong muốn
GOP Group of Picture Nhóm ảnh

MANET

Mobile ad hoc network

M
ạng di động đa chặng di động

NAL Network Abtract Layer Lớp mạng trừu tượng
NLQ Neighbor Link Quality Chất lượng đường truyền
OLSR Optimized link state routing

Giao thức định tuyến đa chặng trạng thái liên
kết tối ưu
PAN Personal Area Network Mạng cá nhân
PLR Packet Loss Rate Tỉ lệ mất gói
PSNR Peak signal to noise ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm đỉnh
QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ
RTCP Realtime transport control
protocol

Giao thức điều khiển giao vận thời gian thực
RTP Realtime transport protocol Giao thức giao vận thời gian thực
RTT Round Trip Time Thời gian trễ quay vòng
SDES

Source Description

Gói tin miêu t
ả nguồn

SR Sender Reports Bản tin bên phát
VANET Vehicle ad-hoc network Mạng di động đa chặng cho giao thông
VLC

Video Coding Layer

Mã hóa l
ớp video

Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

12
Bảng 0-2 Danh mục các sản phẩm đề xuất
Số
TT
Tên sản phẩm Số
lượng
Yêu cầu khoa học
1 OBU. 3 Cho phép truyền, xử lý và hiển thị
thông tin đa dịch vụ trên kết nối
không dây.
2 RSU 2 Trung chuyển thông tin đa dịch vụ
theo kiểu phi thể thức.
• Số học viên cao học và nghiên cứu sinh được đào tạo: 3 học viên cao học
• Số bài báo công bố: 4 bài báo


Bảng 0-3 Danh mục sản phẩm đạt được trên thực tế
Số
TT

Tên sản phẩm Số
lượng
Yêu cầu khoa học Ghi chú
1 OBU 3 Cho phép truyền, xử lý và
hiển thị thông tin đa dịch vụ
trên kết nối đa chặng
Đạt được
theo đề
xuất
2 RSU 2 Trung chuyển thông tin đa
dịch vụ theo kiểu phi thể thức.

Đạt được
theo đề
xuất
3 Gói phần mềm giao thức
truyền thông
2 Xử lý gói dữ liệu đa dịch vụ,
cung cấp giao tiếp đồ họa với
người dùng.
Vượt chỉ
tiêu đề xuất

4 Gói phần mềm mô phỏng
mạng VANET
1 Vượt chỉ
tiêu đề xuất

• Số học viên cao học và nghiên cứu sinh được đào tạo: 4 học viên cao
học (đạt được theo chỉ tiêu đề xuất)

• Số bài báo công bố: 11 bài báo quốc tế và tạp chí trong nước (vượt
mức đề xuất 6 bài)

Đạt và
vượt chỉ
tiêu





Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

13
Bảng 0-4 Tài chính
Stt Hạng mục Được cấp Đã giải ngân Ghi chú
1





Bảng 0-5 Báo cáo tiến độ

Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

14
Bảng 0-6 Hợp tác quốc tế

Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

15
Chương 1. Giới thiệu chung
Trong phạm vi dự án này, nhóm nghiên cứu phải nghiên cứu, thiết kế và xây dựng
mạng Adhoc di động ở mô hình thử nghiệm với mục đích ứng dụng cho giám sát,
điều khiển giao thông, an ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên
biển.
1.1. Tổng quan
Được biết đến với các tên tiếng Việt khác nhau như mạng tuỳ biến, mạng đặc ứng,
mạng vô tuyến phi thể thức, mạng di động đa chặng, mạng không dây đa chặng…
mạng không dây ad hoc (wireless ad hoc network) hay mạng di động ad hoc
(mobile ad hoc network - MANET) đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên
cứu bởi tiềm năng ứng dụng của nó. Như được minh họa trong hình 1-1, do không
đòi hỏi cơ sở hạ tầng thông tin lắp đặt trước, các thiết bị tính toán di động bật máy
lên là có thể liên lạc với nhau được ngay, nên hệ thống thông tin này đặc biệt thích
hợp với các hoạt động hiện trường và trong các tình huống khẩn cấp. Khác với
mạng điện thoại di động truyền thống, mạng di động đa chặng, có tính tự tổ chức và
đầy đủ tính năng của một mạng không dây thông thường. Hơn thế, các nút trong

mạng có thể giao tiếp với nhau nhờ bộ thu phát không dây mà không cần sử dụng
đến các thiết bị hạ tầng, các trạm cơ sở. Ngoài ra, mạng di động đa chặng có thể hỗ
trợ nhiều chuẩn không dây nên các thành phần thiết bị tham gia mạng rất đa dạng,
mạng di động đa chặng có thể được thiết lập ở mọi lúc mọi nơi.
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

16

Hình 1-1 Mô hình mạng di động đa chặng VANET (vehicluar ad hoc network)
Một phân lớp có nhiều tiềm năng ứng dụng và được cộng đồng nghiên cứu quan
tâm nhiều trong thời gian gần đây là mạng xe cộ VANET (vehicular ad hoc
network). Trong khuôn khổ đề tài này, nhóm nghiên cứu đã triển khai nghiên cứu
mô hình kiến trúc truyền thông phù hợp, thiết kế và tích hợp phần cứng các nút
mạng (thiết bị liên lạc không dây phi thể thức) có thể gắn trên xe cộ di chuyển, cũng
như cài đặt bên đường. Các mục tiêu nghiên cứu đã được hoàn tất cả về phương
diện kỹ thuật, đào tạo và xuất bản quốc tế.
1.2. Tính cấp thiết
Những năm gần đây chứng kiến sự bùng nổ của truyền thông di động. Số người
dùng tăng vọt theo từng năm do giá thành giảm. Các công nghệ di động (CDMA,
WiMAX…) không ngừng phát triển và được nâng cấp. Mạng vô tuyến phi thể thức
cũng nằm trong chủ lưu đó. Cùng lúc, các ứng dụng đa phương tiện cũng ngày càng
chiếm ưu thế trong dịch vụ truyền thông. Dù tạo ra nhiều lưu lượng, các ứng dụng
này đang trở lên khả dĩ trong các hệ thống không dây trong đó có mạng MANET
nhờ sự tiến bộ của kỹ thuật nén tín hiệu. Triển khai thành công việc truyền thông tin
đa phương tiện trên mạng vô tuyến phi thể thức, nhất là mạng VANET, sẽ mang lại
công cụ thông tin hữu hiệu cho các hoạt động hiện trường cho đến nhiệm vụ an ninh
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

17
– quốc phòng. Thấy rõ các ưu việt và lợi ích tiềm tàng của hệ thống thông tin vô

tuyến phi thể thức, các nước phát triển đã và đang đầu tư rất nhiều kinh phí vào các
dự án nghiên cứu mang tính đột phá. Các cơ quan nghiên cứu uy tín như Đại học
Stanford, Viện Chuẩn hóa và Công nghệ quốc gia Hoa kỳ (National Institute of
Standards and Technology) hay các tập đoàn công nghiệp lớn như Daimler-
Chrysler, Siemens đều đầu tư rất nhiều nhân lực và tài chính vào lĩnh vực này.
Hệ thống giao thông đang đặt ra nhiều thách thức nan giải về tai nạn, tắc đường, đòi
hỏi những phương tiện kỹ thuật hiện đại như mạng vô tuyến phi thể thức kết nối các
thiết bị thông tin lắp đặt ngay trên xe cộ và hệ thống thông tin giao thông để góp
phần giải quyết tắc nghẽn giao thông, đảm bảo an toàn cho các phương tiện tham
gia giao thông và an ninh trên đường phố.
1.3. Thách thức kỹ thuật
Trong khi tiềm năng ứng dụng của mạng MANET nói chung cũng như của VANET
nói riêng là rõ ràng, vẫn còn nhiều vấn đề khoa học và công nghệ cần được giải
quyết. Đó là tính động của các nút mạng, kèm theo đó là sự hạn hẹp và không ổn
định của kênh truyền, cũng như quy mô mạng lớn yêu cầu phải thiết lập những kết
nối đa chặng.
1.3.1 Sự năng động của các nút mạng
Xe cộ chuyển động với tốc độ cao, số lượng xe vào/ra một đoạn đường lớn khiến
cho đồ hình của mạng luôn thay đổi với tốc độ rất nhanh. Sự thay đổi trạng thái
thường xuyên và nhanh chóng của các nút mạng cũng như liên kết giữa các nút
mạng dễ gây ra sự thay đổi đồ hình toàn mạng cũng như tuyến đi của các gói dữ
liệu ngay trong một phiên kết nối. Một nút mạng có thể gia nhập hoặc tách khỏi
mạng tại bất kỳ thời điểm nào, do đó chúng có thể tách khỏi tuyến mà chúng trung
chuyển bất cứ lúc nào, gây ra sự gián đoạn thông tin. Hay cũng vậy, sự xuất hiện
của nút mới khiến tuyến đi được cập nhật cũng ảnh hướng đến tính liên tục của
đường truyền.
1.3.2 Băng thông hạn hẹp và bất định
Kỹ thuật điều chế tiên tiến giúp cải thiện hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến,
nhưng không thể tạo ra đường truyền băng thông rộng như trong các mạng thông tin
có cơ sở hạ tầng được thiết lập trước. Khi số chặng liên kết trung gian của tuyến đi

đủ lớn, băng thông từ kết cuối đến kết cuối sẽ suy giảm nhanh chóng [1]. Liên kết
vô tuyến lỗi bít cao khiến các gói tin phải được truyền lại nhiều lần, hạ thấp băng
thông hiệu dụng và làm hao tốn các tài nguyên thông tin và tính toán. Hoạt động ở
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

18
chế độ ad hoc, nhiều thiết bị nút mạng cùng chia sẻ kênh vô tuyến theo mô hình
phân tán nên dễ xảy ra hiện tượng tranh chấp tài nguyên và va chạm truyền phát.
Các thiết bị trao đổi thông tin với nhau chủ yếu trên các liên kết không dây nên độ
tin cậy của đường truyền thấp hơn nhiều so với hạ tầng truyền dẫn cáp đồng trục,
cáp quang trong các mạng thông tin công cộng. Các yếu tố bên ngoài như nhiễu
kênh vô tuyến, giao thoa, fading… ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu
truyền. Khi các nút di chuyển, độ ổn định của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) lại càng
kém. Nếu hoạt động trên địa hình phức tạp (núi rừng, công trình ngầm…), chắc
chắn tỷ lệ mất gói sẽ rất khó đoán. Những bất lợi này khiến đường truyền chịu tổn
thất gói cao, đòi hỏi việc phát triển các giao thức truyền mới, có khả năng thích ứng
với những biến động của tuyến thông tin.
1.3.3 Đường truyền kém tin cậy
Bản chất kênh truyền dẫn vật lý của mạng Adhoc là kênh vô tuyến với các nút mạng
thường xuyên di chuyển. Kênh truyền dẫn lại có cấu trúc đa chặng, mỗi chặng có
chất lượng đường chuyền khác nhau. Do vậy đường truyền dẫn chịu ảnh hưởng bởi
các hiệu ứng fading phân tập đa đường, hiệu ứng Doppler, sự ảnh hưởng bởi can
nhiều, và tắc nghẽn hay mất gói của mạng.
1.3.4 Môi trường liên lạc đa dạng
Bên cạnh giao thức truyền thông hiện có, phải thiết kế mô hình mới. Hệ thống cũng
tích hợp cả giao diện mạng không dây có cơ sở hạ tầng cài đặt sẵn như mạng điện
thoại di động (GPRS/GSM), mạng Internet. Ngoài ra, những xe cộ có thể gửi yêu
cầu liên lạc hay thông tin tới một phương tiện giao thông khác ở cách xa nó, hoặc
cung cấp thông tin thu thập được qua các thiết bị bên đường lên máy chủ.
1.3.5 Dữ liệu đa phương tiện nhạy cảm với trễ

Các ứng dụng thời gian thực chỉ chấp nhận một tỉ lệ mất gói nhất định trong khi
những yêu cầu về trễ thời gian thực rất khắt khe. Các gói cần đến đích đúng thời
gian nếu trễ hơn thời gian. Trong kết nối đa chặng, trễ truyền thông không được lớn
hơn một ngưỡng là 500ms. Nếu trễ vươt qua ngưỡng này, sự dao động trễ (jitter) sẽ
ảnh hưởng đến chất lượng cảm thụ. Để giải quyết vấn đề này, jitter cần được khắc
phục bằng cách sử dụng bộ đệm ở phía thu.
Khi tắc nghẽn xảy ra, các gói dữ liệu sẽ bị trễ lớn hơn và ở phía thu phát hiện nhiều
gói mất. Trong điều kiện đó quá trình truyền lại là một giải pháp hiệu quả để giảm
mất gói. Đặc biệt là khi tài nguyên mạng (băng thông, bộ đệm …) không đủ để vận
chuyển gói dữ liệu, càng nhiều gói bị mất, số lượng bản tin ARQ càng tăng. Do
thiếu tài nguyên mạng nên khả năng đáp ứng các bản tin request này cũng bị hạn
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

19
chế. Tại cùng một thời điểm, thời gian trễ vòng trung bình tăng, giảm số lần truyền
lại cho từng gói riêng biệt. Tóm lại, thực hiện việc truyền lại trong điều kiện băng
thông giới hạn cần phải được thiết kế cẩn thận để tránh deadlock.
Để giải quyết các thách thức trên, không thể kế thừa nguyên vẹn các thiết kế truyền
thông truyền thống. Để đảm bảo chất lượng thông tin và nâng cao hiệu năng hoạt
động, cần thiết kế lại kiến trúc hệ thống đứng trên phương diện kết nối mạng và xử
lý dữ liệu đa phương tiện. Mục tiếp theo sẽ diễn giải chi tiết đề xuất thiết kế của
nhóm nghiên cứu.
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Trong phạm vi dự án này, nhóm nghiên cứu tập trung vào các công việc sau:
- Nghiên cứu, thiết kế và xây dựng mạng Adhoc di động ở mô hình thử
nghiệm với mục đích ứng dụng cho giám sát, điều khiển giao thông, an
ninh và kiến nghị ứng dụng cho thông tin cứu hộ trên biển.
1.5. Cách tiếp cận
Nhóm nghiên cứu kết hợp việc mở rộng kết quả sẵn có với hợp tác với các nhóm
nghiên cứu quốc tế để làm phong phú thêm cách tiếp cận giải quyết đề tài

- Điều tra, tham khảo và chọn lọc, kế thừa các kết quả nghiên cứu trong lĩnh
vực mạng vô tuyến phi thể thức mới được công bố để xây dựng được hệ
thống có hàm lượng khoa học cao và tối ưu. Mục 1.7 dưới đây đề cập tương
đối chi tiết các công trình nghiên cứu liên quan trong nước và trên thế giới.
- Tận dụng kết quả nghiên cứu đã có của bản thân nhóm nghiên cứu, nhất là
những kinh nghiệm về phát triển ứng dụng đa phương phương tiện trên hệ
nhúng. Bản thân nhóm nghiên cứu có những dự án liên quan đã có kết quả.
- Tham gia trực tiếp vào các dự án mã nguồn mở trên thế giới để chia sẻ, học
hỏi nhằm xây dựng được các phần mềm ứng dụng cho hệ thống. Trong quá
trình triển khai nghiên cứu, nhóm nghiên cứu tham gia tích cực vào các diễn
đàn mã mở chia sẻ kinh nghiệm của các phần mềm liên quan.
- Tích hợp hệ thống nguyên mẫu (prototype), chạy thử, đánh giá kết quả và tối
ưu hóa từng bước. Trong quá trình thiết kế và phát triển nút mạng, nhóm
nghiên cứu đã đi theo quỹ đạo này để hoàn tất các hạng mục kỹ thuật phần
cứng.
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

20
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp sau đây được áp dụng để giải quyết các vấn đề nghiên cứu:
- Sử dụng công cụ thiết kế, mô phỏng để xây dựng mô hình và giao thức thông
tin, đánh giá hiệu năng và tính khả thi. Vượt ra ngoài yêu cầu phải đạt là hệ
thống thử nghiệm thực, nhóm nghiên cứu còn đưa ra công cụ mô phỏng phục
vụ các nghiên cứu trong tương lai.
- Đưa ra thiết kế tổng thể của hệ thống, phát triển các mô-đun nút mạng và
triển khai chạy thử, đo đạc các tham số chất lượng dịch vụ.
- Tối ưu hóa hệ thống bằng việc chỉnh sửa các thực thể thuộc các tầng khác
nhau của chồng giao thức thông tin và tối ưu hóa mã nguồn.
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

21

Hình 1-2 Qui trình nghiên cứu
1.7. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Mạng VANET là lĩnh vực nghiên cứu thu hút nhiều dự án nghiên cứu trong những
năm qua. Tuy nhiên các thách thức kỹ thuật như đã phân tích đòi hỏi thêm nhiều nỗ
lực nghiên cứu trong tương lai trước khi có thể thương mại hóa.
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

22
1.7.1 Tình hình nghiên cứu trong cộng đồng khoa học quốc tế
Trên thế giới, những nghiên cứu, hội thảo về mạng VANET là rất phong phú, trong
đó cộng đồng thế giới đặc biệt quan tâm tới phát triển giao thức truyền thông, xây
dựng các dịch vụ ứng dụng trên đó, cũng như quản lý tài nguyên vô tuyến- nguồn
tài nguyên hạn hẹp.
1.7.1.1 Giao thức truyền thông
VANET hoạt động chủ yếu trong chế độ Ad-hoc, ở đó các phương tiện tự tổ chức
nên mạng không dây mà không qua bộ định tuyến (Wireless Router) hay các điểm
thu phát không dây (Wireless AccessPoint). Có thể nói, VANET chính là một
trường hợp riêng của MANET (Mobile Ad-hoc NETwork); tuy nhiên việc triển khai
các tiện ích, ứng dụng trên loại mạng này gặp rất nhiều khó khăn thách thức, bởi các
thiết bị mạng (chủ yếu là xe cộ) thường di chuyển với tốc độ rất cao, dẫn tới các
hiệu ứng không mong muốn trong thông tin liên lạc như: doppler, suy hao, trễ
truyền dẫn, v.v… Vấn đề giao thức truyền thông cho mạng MANET đã được cộng
đồng nghiên cứu thế giới quan tâm từ rất lâu, nhưng việc áp dụng hiệu quả các giao
thức truyền thông này vào mạng VANET mới chỉ được định hướng phát triển từ
hơn nửa thập kỉ trở lại đây. Theo đó, đã có những nghiên cứu đáng chú ý về giao
thức truyền thông cho VANET:
- Định tuyến đa chặng vẫn còn là vấn đề mới trong VANET. Cho đến nay,
chưa có nhiều nghiên cứu cũng như chưa đưa ra được giao thức định tuyến

khả dĩ cho mạng này. Nhóm nghiên cứu trong [2] đã thử nghiệm định tuyến
đa chặng sử dụng giao thức OLSR (Optimized Link State Routing) và chuẩn
wireless 802.11b. Thử nghiệm được tiến hành trong các điều kiện giao thông
khác nhau, trong nhiều chuẩn đo (metric) khác nhau để kết luận tính phù hợp
của giao thức này đối với VANET
- Kênh truyền vô tuyến là lĩnh vực thu hút khá nhiều nghiên cứu viên trên thế
giới. Nhóm nghiên cứu trong [3] đã khảo sát sự ảnh hưởng của mô hình kênh
vô tuyến tới hiệu năng, quy mô cũng như hoạt động của những liên lạc trong
hệ thống mạng VANET. Sử dụng nhiều cách tiếp cận khác nhau, các tác giả
đã dần dần làm tăng độ chính xác của mô hình, nhắm tới xác định và lượng
hóa mức độ ảnh hưởng của các yếu tố: tổn hao đường truyền (Pathloss), ảnh
hưởng của che chắn (Shadowing), suy giảm tín hiệu đa đường (Multipath
fading) trên quy mô và các đặc trưng của mạng VANET.
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

23

Hình 1-3 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của
hiện tượng suy giảm đường truyền
Đề tài Nghị định thư VANET Mã số 01/08/2351/HĐ-NĐT

24

Hình 1-4 Công suất phía thu phụ thuộc khoảng cách thu-phát khi có ảnh hưởng của
che chắn (a) không tương quan và (b) tương quan

Hình 1-5 Công suất phía thu phụ thuộc và khoảng cách thu phát trên mô hình thực
tế, có ảnh hưởng của Pathloss, Shadowing và Multipath fading