ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC IEEE 1609 4 CHO MẠNG tùy BIẾN GIAO THÔNG sử DỤNG MARKOV CHAIN (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT GIAO THỨC
IEEE 1609.4 CHO MẠNG TÙY BIẾN
GIAO THÔNG SỬ DỤNG MARKOV
CHAIN


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ACK
AP
ATIM
CSMA/CA
CTS
CW
DBPSK
DCF
DIFS
DQPSK
DSSS
FHSS
GFSK
H-MMAC
IEEE
ISM
MAC
MANET
MMAC
MN
NAV

OFDM
PCF
WLAN

Acknowledgement
Access Point
Ad hoc Traffic Indication Message
Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance
Clear to Send
Contention Window
Differential Binary Pulse Shift Keying
Distributed Coordination Function
Distributed Inter-Frame Space
Differential Quadrature Phase Shift Keying
Direct Sequence Spread Spectrum
Frequency Hopping Spread Spectrum
Gaussian Frequency Shift Keying
Hybrid - Multi-channel Medium Access Control
Institute of Electrical and Electronics Engineers
Industrial Scientific and Medical
Medium Access Control
Mobile Ad hoc Network
Multi-channel Medium Access Control
Mobile Node
Network Allocation Vector
Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Point Coordination Function
Wireless Local Area Network

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/45

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG VANET

1.1 Sự ra đời của mạng Vanet
Hiện nay trên thế giới đang phát triển một cách chống mặt về khoa học và công
nghệ kèm theo inernet nền tảng cơ bản để trao đổi thông tin trên toàn thế giới một
cách nhanh chóng. Ngày nay internet được ứng dụng rộng rãi trong đời sống con
người trong việc trao đổi thông tin, mua sắm online, kinh doanh, nghiên cứu và học
tập trực tuyến,… Ứng dụng trong khoa học kỹ thuật quản lý và điều khiển các thiết
bị từ xa một cách chủ động giúp năng cao khả năng vận hành điều khiển lên một
tầm cao mới. Với những ứng dụng trên giúp cho con người gần nhau hơn trao đổi
vấn đề một cách nhanh chóng dễ dàng và thuận tiện xóa bỏ khoảng cách địa lý.
Trong những năm gần đây thì ngành công nghiệp vận tải đang phát triển một
cách mạnh mẽ nó chiếm giữ vị trí quan trọng trong đời sống con người giúp con
người tiết kiệm được thời gian và sức lực trong vận chuyển. Tuy nhiên thì kèm theo
sự phát triển đó và vấn đề tai nạn giao thông gây ảnh hưởng đến tính mạng con
người và việc vận chuyển bị trì trệ ảnh hưởng đến kinh tế. Do đó cần có để giải
quyết vấn đề cần có một hệ thống thiết bị được gắn trên các phương tiện giao thông
các thiết bị này hoạt động một cách tự động và có thể liên lạc được với nhau để
thông báo các thông tin cần thiết để các phương tiện có thể hoạt động một cách tốt
nhất. Từ ý tưởng trên hệ thống Vanet được ra đời để giải quyết nhiều vấn đề một
cách hiệu quả nhanh chóng nhất.
1.2 Tổng quát về mạng Vanet
Mạng tùy biến giao thong VANET (Vehicle Adhoc NETwork) thiết kế cho ITS dựa
trên nguyên lý mạng di động tùy biến MANET (Mobile Adhoc NETwork). So với
mạng di động tùy biến MANET, phương tiện tham gia vào giao thông được gọi là

node, mạng VANET có độ di dộng cao, nên cấu hình mạng được thay đổi liên tục.
VANET là công nghệ sử dụng xe di chuyển để làm các nút trong một mạng tạo nên
một mạng di động. VANET mỗi xe tham gia giao thông như là một router hay là
một nút không dây, nên các xe trong mạng giao thông có thể kết nối với nhau trong
Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/45

phạm vi bán kính tương đói nhỏ, từ đó các xe kết hợp với nhau tạo nên một mạng
có vùng phủ sóng rộng. Do các xe có thể di chuyển ra khỏi vùng phủ sóng và thoát
khỏi mạng, khi những xe khác thì có thể tham gia, kết nối với các phương tiện khác
nhau nên một mạng Internet di động được tạo thành. Trên thực tế, hệ thống đầu tiên
tích hợp công nghệ này là xe của cảnh sát và lính cứu hỏa để liên lạc trao đổi thông
tin với nhau nhằm phục vụ công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự.
Thông tin trao đổi trong VANET gồm thông tin về lưu lượng xe, tình trạng kẹt
xe, thông tin tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và những dịch
vụ thông thường như đa phương tiện, Internet,… Các xe sẽ liên lạc với nhau (Carto-Car Communication) hay M2M (Machine-to-Machiner Comnunication) để chia
sẻ thông tin.
VANET là mạng có những đặc tính riêng, cơ bản là nó không yêu cầu cơ sở hạ
tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần Base Station giống những hệ thống
di động khác, không cần Access Point để hỗ trợ Wifi và Wimax. Yếu tố khoảng
cách, VANET khắc phục được giới hạn của việc truyền dẫn sóng vô tuyến dựa vào
các nút trung gian. Tuy nhiên, do giao tiếp không cần cơ sở hạ tầng, lại biến đổi
định tuyến nhiều tầng nên rất nhiều khả năng dễ bị “nghe lén” hoặc là thông tin
truyền đi có thể bị sai. Trong mạng VANET việc truyền tin tức giao thông giữa các
phương tiện giao thông với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt

nếu thông tin được truyền đi thể hiện đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố hoặc
tai nạn trên đường đi, nhưng cũng có thể gây ra những tác động xấu và nguy hiểm
khôn lường nếu thông tin do một xe nào đó truyền đi là không chính xác hoặc sai
lệch đi. Sở dĩ xảy ra những trường hợp như vậy vì khi thiết kế của mạng này, thông
thường thì thông tin sẽ được phát quảng bá và được truyền đi qua nhiều nút điều đó
gây ra ảnh hưởng khác nhau như “phản ứng dây truyền”.
1.3 Cấu trúc hệ thống mạng VANET

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/45

Hình 1. 1 Cấu trúc hệ thống mạng VANET
Một kiến trúc hệ thống mạng VANET gồm các domain và nhiều thành phần
riêng lẻ nhau như Hình 1.1. Hình 1.1 cho thấy 3 domain gồm trong xe, Adhoc, cơ sở
hạ tầng và các thành phần riêng lẻ như đơn vị ứng dụng, đơn vị trên xe và đơn vị
bên đường giao thông.
• Trong xe: Gồm có OBU và AU bên trong một chiếc xe tham gia giao thông. AU có
nhiệm vụ tập hợp các ứng dụng nhằm sử dụng khả năng giao tiếp của OBU. Một
OBU được trang bị một thiết bị truyền thông tầm gần, có khả năng nhận biết và lựa
chọn các thiết bị liên lạc giao tiếp an toàn hay không an toàn. Sự khác nhau giữa
AU và OBU đó là logic, chúng cũng có khả năng cùng trong một đơn vị vật lý.
• Adhoc: Miền Adhoc gồm các phương tiện tham gia giao thông được trang bị OBU
và trên đường có gắn sẵn các RSU để tạo thành mạng VANET. OBU tạo thành
mạng lưới để có thể có sự giao tiếp giữa các nút. Nếu có các kết nối không dây khi
đó OBU trực tiếp giao tiếp và sử dụng đa hop để chuyển tiếp dữ liệu.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/45

• Cơ sở hạ tầng: Cơ sở hạ tầng gồm RSU và điểm nóng không dây HT, các xe tham
gia giao thông có thể truy cập các ứng dụng an toàn và không an toàn. RSU truy cập
Internet được thiết lập sẵn bởi những quản trị viên hoặc do các cơ quan. Hai loại
truy nhập cơ sở hạ tầng là RSU và HT, tương ứng với các loại ứng dụng khác nhau.
RSU và HT cũng không phải dùng để truy cập Internet, mà chính là OBU mới có
thể có khả năng giao tiếp với mạng di động nó được tích hợp sẵn ở trong OBU, đặc
biệt là những ứng dụng an toàn.
On Board Unit (OBU)
OBU được đặt trên những xe tham gia giao thông để có thể đáp ứng giao tiếp
V2V và V2I. Và nó cũng cung cấp các dịch vụ truyền thông cho AU và cũng thực
hiện chuyển tiếp dữ liệu thay cho những OBU khác trong mạng. Một OBU sẽ được
trang bị ít nhất một giao tiếp không dây tầm gần trên tiêu chuẩn IEEE 802.11p.
OBU cũng là thiết bị mạng được dùng để gửi, nhận và chuyển tiếp các dữ liệu liên
quan trong mạng. OBU có thể được trang bị nhiều thiết bị mạng, ví dụ: truyền
không an toàn có rũi ro, dựa trên các công nghệ vô tuyến không dây theo tiêu chuẩn
IEEE 802.11a/b/g/n. Chức năng OBU và thủ tục thực hiện được bao gồm truy cập
mạng vô tuyến không dây, định tuyến đường đi dựa vào vị trí địa lý, truyền những
dữ liệu quan trọng…
Road – Side Unit (RSU)
RSU là thiết bị vật lý có vị trí cố định trên đường hoặc các vị trí chuyên dụng
như trạm xăng, bãi đỗ xe hay nhà hàng. RSU được trang bị tối thiểu một thiết bị
mạng không dây tầm gần dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11p. RSU cũng được trang

bị những thiết bị mạng khác để có thể liên lạc với một mạng lưới cơ sở hạ tầng.
Tổng quan về RSU :
• Mở rộng phạm vi giao tiếp mạng nghĩa là phân phối lại các thông tin
để OBU cùng RSU có thể chuyển tiếp được để phân phối thông tin an
toàn.
• Chạy những ứng dụng an toàn, ví dụ như cảnh báo cho V2I cảnh báo
cầu thấp, công trường ,… và các hoạt động như cung cấp nguồn và
nhận.
• Cung cấp các kết nối Internet cho OBU.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/45

Hình 1. 2 RSU mở rộng khoảng giao tiếp

Hình 1. 3 RSU như một nguồn thông tin

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ TIÊU CHUẨN IEEE 802.11

1.4 Tiêu chuẩn IEEE 802.11
1.1.1 Giới thiệu
IEEE 802.11 là tập các chuẩn của tổ chức IEEE gồm các kỹ thuật liên quan đến hệ
thống mạng không dây. Mục đích của các chuẩn IEEE 802.11 cũng như IEEE định

nghĩa là để cung cấp các kết nối không dây đến các thiết bị, các trạm di động mà

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/45

yêu cầu phải triển khai nhanh cho dù là xách tay hay được gắn lên các phương tiện
đang chuyển động bên trong một vùng.
Chuẩn 802.11 cung cấp lớp vật lý cùng với 3 kỹ thuật cho sóng vô tuyến, sử
dụng trên các băng tần 2400 MHz - 2483.5 MHz, 902 MHz – 928 MHz, 5.725 MHz
– 5.85 MHz.
Chuẩn IEEE 802.11 thông tin về phạm vi hoạt động của các node, dưới đây là
một số định nghĩa:
•

Phạm vi truyền tin (Transmission Range – TR): có trể truyền trong
phạm vi 250m quanh node phát,trong pham vi này bất kỳ node nào
nằm đều có thể nhận và giải mã gói dữ liệu được gửi từ node phát.

•

Phạm vi cảm biến sóng mang (Carrier Sensing Range – CS): trong
phạm vi 500 m quanh node phát, bất kỳ một node nào nằm bên trong
phạm vi này đều có thể cảm nhận được thông tin được gửi từ node
phát nào.

•

Vùng cảm biến sóng mang (Carrier Sensing Zone – CSZ): là vùng có
phạm vi trong khoảng cách từ 250 m - 500 m, bất cứ một node nào
nằm trong vùng này chỉ có thể cảm nhận được node nào gửi thông tin
đi mà không thể giãi mã chính xác thông tin được gửi đi đó.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/45

Hình 1. 4 Phạm vi hoạt động của các node trong IEEE 802.11

1.1.2 Lịch sử phát triển
Quá trình hình thành và phát triển của IEEE 802.11

Hình 2. 1 IEEE 802.11 qua từng thời kỳ
• Chuẩn 802.11: là chuẩn đầu tiên giới thiệu vào năm 1997, có tốc độ
truyền 1Mbps và 2Mbps, sử dụng trên băng tần 2.4 GHz nhưng do tốc
độ quá chậm nên không được sử dụng phổ biến.
• Chuẩn 802.11b: chuẩn giới thiệu vào năm 1999, với tốc độ truyền
11Mbps và hoạt động trên băng tần 2.4 GHz, có nhược điểm dễ bị
nhiễu bởi các thiết bị không dây khác.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng

Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/45

• Chuẩn 802.11a: được phát triển cùng với chuẩn 802.11b, hỗ trợ tốc độ
54 Mbps và hoạt động ở băng tần 5 GHz, chuẩn này được cải thiện tốc
độ, khó bị nhiễu bởi các thiết bị khác nhưng giá thành đắt, phạm vi
hoạt động hẹp.
• Chuẩn 802.11g: chuẩn được giới thiệu vào năm 2003, hỗ trợ tốc độ 54
Mbps và băng tần 2.4 GHz, ưu điểm tốc độ cực nhanh, phạm vi tín
hiệu tốt, ít bị cản trở nhưng nhược điểm là giá thành đắt.
• Chuẩn 802.11n: được thiết kế vào năm 2009 cải tiến của chuẩn
802.11g thông qua tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten ( đó là
công nghệ MIMO), cho phép hỗ trợ tốc độ 600 Mbps và sử dụng băng
tần hoạt động là 2.4 GHz và 5 GHz, có tốc độ nhanh nhất và phạm vi
tín hiệu tốt hơn, khả năng chống nhiễu tốt nhưng giá thành đắt hơn
802.11g.
• Chuẩn 802.11ac: là chuẩn mới nhất và được sử dụng phổ biến rộng rãi
nhất, hỗ trợ tốc độ 1.300 Mbps sử dụng băng tần 5 GHz và 450 Mbps
sử dụng băng tần 2.4 GHz.
1.1.3 Các thành phần trong mạng
Mạng WLAN 802.11 gồm bốn thành phần vật lý chính như hình 2.2 dưới đây:

Hình 2. 2 Các thành phần trong mạng WLAN 802.11
• Điểm truy cập (Access Point)
Điểm truy cập là một thiết bị phần cứng được đặt cố định thực hiện chức năng kết
nối giữa các thiết bị trong mạng không dây và có dây. Vùng phủ sóng của nó cho
phép các trạm tham gia trao đổi thông tin với nhau một cách trực tiếp.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/45

• Các trạm (Station)
Mạng không dây xây dựng để truyền thông tin giữa các trạm. Các trạm này là các
thiết bị phần cứng di động có gắn card giao diện mạng không dây và các trạm này
có thể cố định hoặc là di động.
• Phương tiện truyền dẫn không dây (Wireless Medium)
Để truyền thông tin giữa các trạm với nhau, chuẩn 802.11 quy định sử dụng phương
tiện truyền dẫn không dây. Chuẩn 802.11 quy định bốn công nghệ ở lớp vật lý làm
phương tiện truyền dẫn cho mạng không dây.
• Hệ thống phân phối (Distribution System)
Khi nhiều điểm truy cập kết nối với nhau để tạo ra một vùng phủ sóng rộng, chúng
cần liên lạc với nhau nhằm theo dõi sự di chuyển của các trạm di động ( gọi là hệ
thống phân phối – Distribution System)
Mạng WLAN 802.11 dựa theo kiến trúc cơ sở hạ tầng mạng (Infrastructure
Mode) gồm hai kiến trúc con: Tập dịch vụ cơ bản (BBS – Basic Service Set), tập
dịch vụ mở rộng (ESS – Extended Service Set).
1.5 Giao thức MAC IEEE 802.11
1.1.4 Giới thiệu
Giao thức MAC (Medium Access Control) dùng để giải quyết những vấn đề liên
quan đến sự cạnh tranh và va chạm có thể xảy ra trên đường truyền. Nhiều giao
thức MAC đã được đề xuất cho mạng không dây được chia sẻ bởi nhiều MN
(Mobile Node) có một kênh chung. Ta gọi là giao thức MAC đơn kênh. Đại diện
cho mẫu đơn kênh này là chuẩn IEEE 802.11. Khi mà số lượng tải trong mạng tăng

lên đến giới hạn thì tốc độ của mạng sẽ giảm bởi sự tranh chấp và va trạm cao trên
đường truyền.
Giao thức MAC 802.11 có hai chế độ hoạt động, là phối hợp phân phối (DCF Distributed Coordination Function) và chế độ phối hợp điểm (PCF - Point
Coordinated Function).

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/45

Chế độ hoạt động trong
IEEE 802.11

Chế độ tranh chấp

DCF

Chế độ không tranh chấp
PCF

Hình 2. 3 Các chế độ hoạt động của MAC 802.11
Chế độ DCF sử dụng cơ chế đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA Carrier Sense Multiple Access) và hệ thống tránh xung đột (CA - Collision
Avoidance) được coi là nguyên tắc cơ bản khi truy nhập kênh truyền.
Còn PCF là chế độ cạnh tranh tự do hoạt động theo cơ chế thực hiện việc hỏi
vòng (poll) truy cập môi trường. DCF là chế độ bắt buộc và PCF là chế độ tùy
chọn.
1.1.5 Chế độ DCF trong IEEE 802.11

Giao thức MAC trong IEEE 802.11 hoạt động ở chế DCF (Distributed Coordination
Function). Chế độ này hoạt dộng trên cơ sở đa truy cập cảm nhận sóng mang
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) hệ thống tránh ca chạm CA (Collision
Avoidance). CSMA/CA được coi là nguyên tắc cơ bản khi truy cập kênh, hoạt động
dựa vào sự cạnh tranh. CSMA, trước khi khi truyền một node sẽ lắng nghe môi
trường xung quanh để xác định có node đang truyền hay không. Nếu môi trường có
rỗi thì node sẽ bắt đầu thực hiện truyền dữ liệu, ngược lại nếu môi trường đang bận
thì node sẽ chờ đến khi môi trường rỗi thì bắt đầu mới truyền.
Giao thức MAC trong IEEE 802.11 có 3 khoảng thời gian được dùng trong DCF
nhằm xác định ưu tiên truy cập giữa các node. Những khoảng thời gian này gọi
chung là IFS (Inter Frame Spaces):

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/45

•

Slot time: là thời gian rất ngắn của một time slot.

•

SIFS (Short Inter Frame Space): là thời gian ngắn giữa các khung.

•

DIFS (Distributed Inter Frame Space): là thời gian giữa các khung phân tán
ta có DIFS = SIFS + 2 time slot.

Tiến trình hoạt động trong chế độ DCF được mô tả như sau:


Các node đợi đến khi khoảng thời gian DIFS kết thúc. Sau đó tiến hành quá trình
Back-Off.



Các node đếm giảm thời gian Back-off của mình giá trị back-off tiến về 0. Node nào
có thời gian backoff ngẫu nhiên về 0 trước trạm đó sẽ giành được đường truyền và
bắt đầu truyền tin. Các node khác sẽ lưu giá trị backoff còn lại để dùng cho lần tiếp
theo.



Node nhận sau khi nhận được gói tin hoàn tất phải đợi 1 khoảng thời gian SIFS
trước khi gửi lại khung ACK cho node truyền. Node truyền nhận được ACK sẽ bắt
đầu lại từ đầu và đợi một khoảng thời gian DIFS mới.

Hình 2. 4 Chế độ 802.11 DCF khi chưa xử vấn đề đầu cuối ẩn

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/45

Thời gian backoff ngẫu nhiên (Random Backoff Time Interval - RBTI) là
khoảng thời gian mà các node phải chờ cho đến khi đường truyền rỗi, được tính
bằng công thức:
RBTI = Random() * Slot Time
Trong công thức Random() là số ngẫu nhiên trong khoảng CW min và CWmax
( cửa sổ tranh chấp – Contention Window).
Tại thời điểm truyền tin đầu tiên, CW được tạo với giá trị bằng CW min. Khi xảy ra
va trạm thì giá trị CW sẽ tăng lên theo hàm số mũ, nhưng giá trị CW không được
lớn hơn CWmax.
Bảng 2. 1 Giá trị Slot Time và CWmin, CWmax cho các kiểu tầng vật lý trong 802.11
PHY
FHSS
DSSS
IR

Slot Time (us)
50
20
8

CWmin
16
13
64

CWmax
1024
1024

1024

Trong quá trình hoạt động của chế độ DCF được mô tả ở trên, thì giá trị cửa sổ
CW đóng vai trò quan trọng. Nếu giá trị cửa sổ CW quá nhỏ, khi đó giá trị backoff
ngẫu nhiên được chọn sẽ rất gần nhau nên làm tăng khả năng giá trị bằng nhau. Mặc
khác, nếu giá trị cửa sổ CW quá lớn sẽ gây ra khoảng thời gian chờ không cần thiết.
Do vậy khi cửa sổ CW đạt giá trị tối đa, thì nó sẽ giữ nguyên và trả về giá trị tối
thiểu CWmin khi khung tin truyền thành công hoặc hủy bỏ ở tầng trên.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/45

Hình 2. 5 Sự tăng lên theo hàm số mũ của cửa số CW
Sau khi trạm truyền lại i lần, thì giá trị CWi tính theo công thức:
i

CWi = 2 * CWmin
Trong đó i là số lần truyền tin tính cả lần đang truyền.
Công thức CW tăng theo hàng số mũ với số lần truyền lại.
1.1.6 Vấn đề đầu cuối ẩn của chế độ DCF
Trong IEEE 802.11, DCF sử dụng phương pháp CSMA/CA nhằm để để cảm nhận
môi trường xung quanh phía phát để tránh xung đột ở phía phát. Nhưng phương
pháp này không giúp chúng ta tránh được xung đột ở bên phía thu. Làm dẫn đến
vấn đề đầu cuối ẩn (Hidden Terminal Problem). Vấn đề này gây ra ảnh hưởng lớn
đến hiệu suất của hệ thống.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/45

.

Hình 2. 6 Vấn đề đầu cuối ẩn IEEE 802.11 DCF
Do A truyền gói dữ liệu cho B bên cạnh đó C không biết cũng có gói tin truyền
cho B nên cùng lúc truyền dữ liệu cho B xảy ra va chạm giữa hai gói tin với nhau.
Khi này A được xem là thiết bị đầu cuối của C. Để giải quyết vấn đề này thì người
ta sử dụng hai gói điều khiển RTS (Request to Send) và CTS (Clear to Send).

Hình 2. 7 Quá trình truyền dữ liệu khi đã giải quyết vấn đề đầu cuối ẩn
1.1.7 Vấn đề đầu cuối hiện của chế độ DCF

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/45

Hình 2. 8 Vấn đề đầu cuối hiện
Ta có node B có gói tin muốn truyền cho A, lúc đó node B sẽ gửi khung RTS đến node

A khi node B cảm nhận node A là rỗi. Khi node A nhận được RTS sẽ trả lại CTS tới
node B. Ở đây, node C là node nằm trong vùng cảm nhận sóng mang nên sẽ thiết lập
NAV của nó. Cùng lúc đó, node D cũng nằm trong phạm vi truyền của C và cũng
muốn gửi gói tin cho node C, khi đó nó cũng sẽ phải đợi cho đến khi NAV của node C
kết thúc. Điều này dẫn đến đây một hạn chế vì quá trình truyền từ node B đến node A
và từ node D đến node C không cản trở nhau và có thể diễn ra đồng thời. Ở đây node
D sẽ được gọi là thiết bị đầu cuối hiện.
1.6 Giới thiệu về xích Markov
Các mô hình ngẫu nhiên trong các lĩnh vực Kinh tế, Kỹ thuật,… là dựa trên cơ sở
của quá trình Markov. Trong ngành Cơ điện ngày nay có nhiều rất nhiều chuyên gia
lí thuyết và thực hành cũng rất quan tâm đến Markov.
Xét trên một hệ thống mạng ngẫu nhiên diễn ra theo thời gian. Tại thời điểm
t=0, hệ thống có thể rơi vào một trong ba trạng thái là 1, 2 hoặc 3 theo cách ngẫu
nhiên. Kí hiệu tại mỗi vị trí X(0) là ứng với vị trí tại thời điểm t=0, thì tại đó X(0) là
Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/45

một biến ngẫu nhiên và có thể nhận được các giá trị 1 hoặc 2 hoặc 3 tương ứng với
các xác suất nhất định. Bảng phân phối xác suất X(0) được cho như sau:
Bảng 2. 2 Bảng phân phối xác suất
Các giá trị của X(0)
Xác suất tương ứng

1
0.2

2
0.5

3
0.3

Tại các thời điểm tiếp theo như t=1,2,3,… vị trí của hệ thống sẽ được mô tả bởi
xác suất của các biến ngẫu nhiên X(1), X(2), X(3),… với giá trị các bảng phân phối
xác suất tương ứng. Dưới là những định nghĩa về quá trình ngẫu nhiên.
Định nghĩa 1:
Xét một hệ thống có tiến triển theo thời gian. Gọi X(t) là vị trí của hệ ứng với tại
thời điểm t. Ứng với thời điểm t, X(t) chính là một biến ngẫu nhiên được mô tả
bằng vị trí tình trạng của hệ thống. gọi là một quá trình ngẫu nhiên.
Tập hợp những vị trí có thể có được của hệ gọi là không gian trạng thái và ký
hiệu là S. Giả sử rằng X(t) chỉ có thể nhận được một trong 3 giá trị 1,2,3 , thì
S={1,2,3}.
Tiến triển của hệ thống trong tương lai phụ thuộc vào hiện tại và hoàn toàn độc
lập với quá khứ, thì nó chính là Markov. Khi này quá trình ngẫu nhiên X(t) gọi là
quá trình Markov.
Định nghĩa 2:
Nếu không gian trạng thái S bao gồm một số hữu hạn hoặc số vô hạn đếm được
giá trị trạng thái thì quá trình Markov X(t) gọi là xích Markov.

1.1.8

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/45

CHƯƠNG 3.

TIÊU CHUẨN IEEE 1609.4

1.7 Sự ra đời IEEE 1069.4
Mạng VANET sử dụng chuẩn IEEE 802.11p của lớp MAC. Nhờ đặt điểm của mạng
VANET có độ di động rất cao dẫn đến cấu hình mạng thay đổi liên lục, vậy nên
ngoài chuẩn IEEE 802.11p còn có chuẩn IEEE 1609.4 phát triển được sử dụng trên
nền IEEE 802.11p hỗ trợ MAC đa kênh cho mạng VANET.
Chuẩn 802.11p phát triển dựa trên chuẩn 802.11a, hỗ trợ cho việc truyền thông
tin với tốc độ 3 Mbps đến 27 Mbps sử dụng băng thông 10 MHz phạm vi truyền lên
đến 1000m với vận tôc di chuyển các phương tiện là 30 m/s. Chuẩn 802.11p được
bổ sung một vài chức năng để giao tiếp V2I và V2V như : môi trường truyền dẫn dữ
liệu luôn thay đổi, cách thức truyền thông tin giống như trong mạng Ad-hoc, có độ
trễ nhỏ và hoạt động trong tần số riêng ( băng thông 75Mhz của băng tần 5.9GHz).
Lớp MAC sử dụng giao thức truy cập kênh truyền dựa theo kiểu phân tán nâng
cao (Enhanced Distributed Channel Access – EDCA). EDCA định nghĩa được 4 đối
tượng truy cập kênh truyền (Access Category – AC) với các mức độ ưu tiên khác
nhau. Trong đó mỗi luồng AC hoạt động như một trạm DCF độc lập sử dụng hàm
EDCA tranh chấp truy cập kênh truyền. Thứ tự ưu tiên của các AC nhận biết bằng
sử dụng khoảng liên khung tùy ý (Arbitrary Inter Frame Space – AIFS). Mỗi AC sử
dụng thông số như: hệ số AIFS (AIFS Number – AIFSN), CWmin và CWmax khác
nhau. Trong đó, BK là đối tượng thuộc loại background (Background traffic – BK),
BE là đối tượng thuộc loại cố gắng truyền tốt nhất (Best Effort traffic – BE), VI là
đối tượng truyền video (Video traffic – VI) và VO là đối tượng truyền thoại (Voice
traffic – VO).

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/45

AC
BK
BE
VI
VO

CWmin
CWmax
AIFSN
15
1023
9
15
1023
6
7
7
3
3
15
2

Bảng 3. 1 Thông số trong chuẩn IEEE 802.11p

Trong IEEE 802.11p, mỗi node có 4 luồng AC hoạt động như là 4 trạm độc lập.
Nếu luồng ACx (với x là chỉ số mỗi luồng, x = 1, 2, 3, 4) có gói dữ liệu sẵn sàng bên
trong buffer và cùng lúc kênh truyền cũng được cảm nhận rỗi trong khoảng thời
gian AIFS[x] thì bộ đếm thời gian backoff ngẫu nhiên sẽ kiểm tra. Nếu giá trị của
bộ đếm thời gian của backoff khác 0 thì EDCA sẽ giảm đi giá trị của bộ đếm, ngược
lại nếu bộ đếm bằng 0 thì EDCA sẽ cho phép truyền gói tin dữ liệu. Tại mỗi node sẽ
có 4 luồng AC sẽ có xác suất xảy ra va chạm gói tin cao hơn khi có nhiều hơn một
AC truyền dữ liệu tại cùng thời điểm. Để tránh va chạm, bên trong node có một
hàm có nhiệm vụ hẹn thời gian bằng gán giá trị cơ hội truyền dữ liệu (Transmission
Opportunity – TXOP) cho luồng AC nào được ưu tiên nhất.
So với các chuẩn WIFI 802.11 thì chuẩn 802.11p cho thấy sự khác biệt khả năng
giao tiếp ngoài phạm vi của dịch vụ cơ bản. Không giống các chuẩn khác trong
802.11 mất nhiều thời gian hình thành kết nối, 802.11p được phát triển để tạo ra kết
nối nhanh hơn phù hợp với mạng VANET khi node trong hệ thống di chuyển nhanh
và có khi không đoán trước được.
Tuy nhiên, theo báo cáo gần đây về các ứng dụng trong hoạt động VANET cho
thấy chuẩn 802.11p có hiệu suất kém trong một mạng VANETs dày đặt. Ví dụ trong
thành phố: mức độ giao thông dày đặt, hoạt động truyền và tiếp nhận thông tin xảy
ra liên tục thì tiêu chuẩn 802.11p tỏ ra hoạt động chưa hiệu quả…
Từ đó, chuẩn 1609.4 được phát triển dựa vào phần mở rộng đa kênh DSRC của
chuẩn 802.11p. Trong đó, IEEE 1609.4 được đề xuất để nhằm cải thiện khả năng
phân biệt dịch vụ của tiêu chuẩn 802.11p.
1.8 Chuẩn IEEE 1609.4
Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/45

IEEE 1609.4 là tiêu chuẩn hoạt động đa kênh cho mạng VANET. Nó là cấu trúc đa
kênh sử dụng DSRC, phân chia toàn bộ quang phổ DSRC thành kênh không chồng
chéo.
Trong hệ thống đa kênh, vấn đề an toàn hay không an toàn liên quan trực tiếp
đến nhiều ứng dụng được cung cấp trực tiếp từ nhiều kênh khác nhau. Điều này
nhằm giúp cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) cho những loại ứng dụng khác nhau
bằng cách phân bổ chúng vào những kênh khác nhau. Vì vậy trong tiêu chuẩn IEEE
1609.4, việc tiếp cận kênh thời gian đã được chia thành những khoảng thời gian
đồng bộ hóa.
Mỗi khoảng đều chứa khoảng thời gian bảo vệ và xen kẽ những khoảng thời
gian cố định được gọi là CCH là kênh điều khiển và SCH là kênh dịch vụ. Trong
khoảng thời gian điều khiển CCH, tất cả các nút theo dõi CCH để trao đổi thông tin
an toàn.
Mỗi kênh CCH kênh SCH đều có độ dài là 50ms và ở giữa là khoản bảo vệ 4ms.
Một cặp CCH và SCH sẽ tạo thành một SI (Synchronous Interval) có độ dài 100ms.
Tức là nếu thiết lập vậy thì sẽ đảm bảo mỗi 100ms phương tiện có cơ hội được phát
sóng về trạng thái của nó.

Hình 3. 1 Kênh của chuân IEEE 1609.4

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/45

Nguyên lý truyền dữ liệu
Giao thức IEEE 1609.4 có 7 kênh bao gồm 1 kênh điều khiển (CCH) và 6 kênh dịch
vụ (SCH).
Khi node truyền truyền cảnh báo thì tất các các kênh dịch vụ ngừng để lắng nghe
kênh truyền điều khiển trong thời giao điều khiển (CCHI). Khi truyền cảnh báo
xong thì thì các node sẽ thực hiện cơ chế bắt tay backoff như trên 802.11 DCF ở
kênh điều khiển (CCH) và trong khoảng thời gian điều khiển (CCHI). Sau khi
backoff xác định được nói truyền dữ liệu thì thực hiện quá trình truyền dữ liệu trên
kênh dịch vụ (SCH) trong khoảng thời gian truyền của kênh dịch vụ (SCHI). Trong
thời gian truyền trên kênh dịch vụ thì kênh điều khiển không thể truyền tin cảnh
báo và ngược lại.

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/45

CHƯƠNG 4.

PHÂN TÍCH VÀ MÔ PHỎNG

1.9 Phân tích chuỗi Markov Chain
1.1.9 Quá trình backoff gói tin khẩn

Hình 4. 1 Xích markov chain của quá trình backoff gói tin khẩn
Quá trình backoff gói tin khẩn của node thực hiện theo backoff hàm mũ. Được biểu

diễn theo như hình xích Markov. Trong đó, We giá trị đếm của backoff, Re là xác
suất va chạm gói tin, qe là xác suất truyền gói tin mới, I e là buffer trống không có
gói tin khẩn.
Mỗi node khi chuyển qua trạng thái của backoff sẽ chọn giá trị backoff We và sẽ
giảm đi 1 sau mỗi khe thời gian và gói tin khẩn sẽ được truyền đi khi giá trị backoff
về 0. Khi truyền gói tin khẩn, nếu trong buffer còn gói tin khẩn cần truyền tiếp,
node tiếp tục thực hiện quá trình backoff. Nếu buffer không còn gói tin khẩn thì
quay lại trạng thái I e .
Gọi be (t ) là quá trình ngẫu nhiên cho quá trình backoff của node có gói tin khẩn
cần để truyền đi. Xích Markov có xác suất dừng

be, k = lim P{be (t ) = k}, k ∈ (0, We − 1)
x →∞

.

P( k − 1| k ) xác suất chuyển trạng thái từ k tại t sang k-1 tại t+1 trong xích markov

như sau:

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/45

P( k − 1| k ) = 1 − Re ,1 ≤ k ≤ We − 1
P(k | 0) =

We
,1 ≤ k ≤ We − 1
qe

P(k | I e ) =

We
, 0 ≤ k ≤ We − 1
qe

P ( I e | 0) = 1 − qe
q
q
be,We −1 = e .be,Ie + e .be,0
We
We
Ta có:

Thế

be,We − 2 =

qe
q
.be,Ie + e .be,0 + be,We −1
We
We

be ,We −3 =

qe
q
.be ,Ie + e .be,0 + be,We − 2
We
We

be ,We −1

be,We −2 =

be ,We − 2

vào phương trình

ta đươc:

qe
q
q
q
.be,Ie + e .be,0 + e .be,Ie + e .be,0
We
We
We
We

 q

q

be,We − 2 = 2.  e .be,Ie + e .be,0 ÷
We
 We

 q

q
be ,0 = We .  e .be,Ie + e .be,0 ÷
We
 We

Suy ra:
(1 − qe ).be ,0 = qe .be , I
Vậy tại trạng thái I e , ta có:

Tại trạng thái

be, k (t )

e

, ta có:

qe
q
.be, Ie + (1 − Re )be ,k +1 + e .be ,0 = (1 − Re )be ,k ,1 ≤ k ≤ We − 1
We
We

Tại trạng thái

be , k +1

ta có:

qe
q
.be , I e + (1 − Re )be,k + 2 + e .be ,0 = (1 − Re )be ,k +1
We
We

Thế

be , k +1 be ,k + 2 be ,k +3

,

,

… và

b e,Ie

vào trạng thái

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4
cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain

be ,k

suy ra:


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/45

Trạng thái

be,k (t )

:

be,k =

We − k 1
.
.be,0 ,1 ≤ k ≤ We
1 − Re We

Với xích Markov tổng các trạng thái bằng 1, ta có:
We −1
1 − qe
W −k 1
.be,0 + be,0 + ∑ e
. .be,0 = 1
q
We
k =1 1 − Re
e

Từ đó ta được:
We −1

Ta có:

∑
k =1

=
=

We − k 1
. .be,0
1 − Re We

be,0

We −1

1 − Re

k =1

∑

We − k
We

We − 1
.be,0

2 ( 1 − Re )

Thay vào phương trình:

Suy ra:
Đặt

be ,0

τ e = be ,0

1 − qe
We − 1
.be,0 + be,0 +
.be,0 = 1
qe
2 ( 1 − Re )

1 − qe We − 2 Re + 1 
=
+

2(1 − Re ) 
 qe

−1

là xác suất truyền gói tin khẩn sau quá trình backoff của một node

Đánh giá hiệu suất giao thức IEEE 1609.4

cho mạng thùy biến giao thông sử dụng
Markov Chain