Đồ Án Thiết kê hệ thống truyền nhận dữ liệu và quản lý cấp phát địa chỉ cho mạng Vanet

LỜI NÓI ĐẦU

Nền kinh tế ngày càng phát triển, xe cộ càng trở nên đông đúc, các vụ tai nạn giao thông liên tiếp xảy ra, hiện tượng tắc đường đã gây không ít cản trở trong cuộc sống đi lại hàng ngày của người dân. Các giải pháp giao thông không ngừng được triển khai để đưa ra phương án tối ưu nhất nhằm khắc phục các tình trạng trên. Mạng VANET ra đời không nằm ngoài mục đích đó.
Mạng VANET (Vehicular Ad-Hoc Network) là một dạng của mạng Ad-Hoc được triển khai trong giao thông, Mạng VANET giúp các xe cộ có thể truyền thông được với nhau và gửi các thông tin về trung tâm quản lý nhằm giảm ách tắc giao thông và chia sẻ thông tin cho nhau. Các xe cộ truyền thông với nhau dựa trên giao thức TCP/IP, do đó mỗi xe cộ cần có một địa chỉ IP để gửi thông tin xe cộ về trung tâm quản lý qua một đường truyền tin cậy và có tính di động cao. Trong mạng VANET do số lượng xe cộ lưu thông là rất lớn, tốc độ di chuyển rất nhanh từ vùng này sang vùng khác, do đó cần có một cơ chế quản lý cấp phát và thu hồi IP phù hợp. Chính vì vậy em đã lựa chọn nghiên cứu đề tài THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN NHẬN DỮ LIỆU VÀ QUẢN LÝ CẤP PHÁT ĐỊA CHỈ IP CHO MẠNG VANET, đây cũng chính nội dung đồ án tốt nghiệp của em.
Với những nỗ lực thực sự, đồ án của em đã có được một số kết quả nhất định, mặc dù vậy, do thời gian có hạn em không thể tránh khỏi một số thiếu sót cũng như một số nhiệm vụ chưa hoàn thành được. Vì vậy, em rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Vũ Đức Thọ và thầy Phạm Văn Tiến đã tận tình chỉ dẫn chúng xem trong suốt quá trình thực hiện để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
***
Đồ án đề cập đến vấn đề quản lý cấp phát IP và truyền số liệu trong mạng VANET. Trên cơ sở đó tạo tiền đề cung cấp một số dịch vụ cần thiết hỗ trợ phương tiện giao thông và trung tâm quản lý như truyền ảnh thông báo tình trạng giao thông, tìm kiếm thông tin các OBU khác và quản lý cơ sở dữ liệu thông tin vị trí của các phương tiện giao thông tham gia trong mạng VANET nhằm hỗ trợ việc quản lý, giám sát mạng tại trung tâm. Đây là những ứng dụng cơ bản rất cần thiết trong quá trình xây dựng và phát triển mạng VANET.
Nội dung đồ án bao gồm 7 phần :¬¬¬¬
 Giới thiệu chung
 Chương 1: Cơ sở lý thuyết
Tổng quan mạng VANET, các thành phần chính trong mạng VANET và các ¬-lý thuyết có liên quan.
 Chương 2: Thiết kế mô hình cấp phát IP động cho mạng VANET
Trình bày chi tiết về mô hình cấp phát IP động cho mạng VANET.
Phần này bao gồm: Nhược điểm của DHCP chuẩn khi áp dụng vào mô hình VANET, mô hình đề suất, quá trình cấp phát IP, qua trình lưu trữ và thu hồi IP.
 Chương 3: Thu thập và truyền dữ liệu cho mạng VANET
Trình bày quá trình thu thập và truyền dữ liệu cho mạng VANET
 Chương 4: Xây dựng ứng dụng truyền số liệu trên đường truyền GPRS
Mô tả chi tiết những công việc đã triển khai.
 Chương 5: Kết quả thực hiện đồ án
Trình bày về kết quả đã đạt được.
 Kết luận và hướng phát triển




MỤC LỤC


LỜI NÓI ĐẦU 1
TÓM TẮT ĐỒ ÁN 2
ABSTRACT 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 9
GIỚI THIỆU CHUNG 11
Mục đích thiết kế 11
Phương pháp thực hiện đồ án 12
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13
Giới thiệu chương 13
1.1 Mạng Adhoc giao thông (VANET) 13
1.1.1 Tổng quan về mạng VANET 13
1.1.2 Vị trí, chức năng của RSU trong mạng VANET 14
1.2 Các lý thuyết được áp dụng 17
1.2.1 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 17
1.2.2 Giao thức cấu hình IP động DHCP 24
1.3 Môi trường hoạt động và môi trường phát triển 33
1.3.1 Phần cứng 33
1.3.2 Phần mềm 39
Kết chương 40
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MÔ HÌNH CẤP PHÁT IP ĐỘNG CHO MẠNG VANET 41
Giới thiệu chương 41
2.1 Nhược điểm của DHCP chuẩn khi áp dụng vào VANET 41
2.2 Mô hình đề xuất và ưu điểm so với DHCP chuẩn 42
2.2.1 Tổng quan mô hình 42
2.2.2 Sơ đồ trạng thái hoạt động 43
2.2.3 Sơ đồ thuật toán xử lý 45
2.3 Quá trình cấp phát IP 47
2.4 Quá trình thu hồi và quản lý IP 52
2.4.1 Quá trình lưu trữ IP 52
2.4.2 Quá trình thu hồi IP 52
Kết chương 53
CHƯƠNG 3 THU THẬP VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU CHO MẠNG VANET 55
Giới thiệu chương 55
3.1 Kênh truyền dẫn 55
3.1.1 Ưu điểm của việc ứng dụng GPRS vào truyền số liệu 55
3.1.2 Mô hình kết nối kênh truyền GPRS cho mạng VANET 58
3.2 Thu thập dữ liệu từ OBU 63
Kết chương 65
CHƯƠNG 4 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TRUYỀN SỐ LIỆU QUA GPRS 66
Giới thiệu chương 66
4.1 Xây dựng đường truyền GPRS 66
4.1.1 Giới thiệu tập lệnh AT-Command 66
4.1.2 Một số API hỗ trợ lập trình giao tiếp modem GPRS 69
4.1.3 Thiết lập đường truyền GPRS giữa RSU và trung tâm 70
4.2 Mã hoá dữ liệu GPRS 75
4.2.1 Tại sao phải mã hóa dữ liệu GPRS 75
4.2.2 Thuật toán mã hóa dữ liệu GPRS 79
4.3 Cập nhật toạ độ OBU về Server 82
Kết chương 89
CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN 90
Giới thiệu chương 90
5.1 Cấp phát và thu hồi địa chỉ IP 90
5.2 Thu thập thông tin từ OBU và gửi lên Server 93
Kết chương 95
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 96
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Tổng quan mạng VANET 14
Hình 1 2: Thiết bị RSU 15
Hình 1 3: Chức năng RSU 16
Hình 1 4: Cấu trúc hệ thống GSM có hỗ trợ dịch vụ GPRS 22
Hình 1 5: Giao diện và điểm chuẩn trong mạng GPRS. 22
Hình 1 6: Client broadcasts bản tin DHCPDISCOVER 26
Hình 1 7: DHCP servers broadcast bản tin DHCPOFFER 28
Hình 1 8: DHCP client gửi bản tin DHCPREQUEST 29
Hình 1 9: DHCP server gửi gói tin DHCPACK 30
Hình 1 10: DHCP client xin lại IP address mà nó xin ban đầu. 31
Hình 1 11: DHCP server gửi DHCPACK để tiếp tục cho thuê 32
Hình 1 12: Modem GPRS 34
Hình 1 13: Board nhúng FITPC2 36
Hình 1 14: Các cổng giao tiếp của FITPC2 36
Hình 1 15: Mặt trên của bo nhúng Fit-PC2 38
Hình 1 16: Mặt dưới của bo nhúng Fit-PC2 38
Hình 2 1: Mô hình thiết kê 42
Hình 2 2: Sơ đồ trạng thái hoạt động của RSU 43
Hình 2 3: Sơ đồ trạng thái hoạt động của OBU 44
Hình 2 4: Thuật toán xử lý phía RSU 45
Hình 2 5: Thuật toán xử lý phía OBU 46
Hình 2 6: Thứ tự các gói tin 47
Hình 2 7:Lưu trữ và thu hồi IP 52
Hình 3 1: Khả năng tương tác với mạng bên ngoài của GPRS 57
Hình 3 2: Mô hình tổng quan kênh truyền số liệu qua GPRS trong VANET 59
Hình 3 3: Mô lấy dữ liệu khi OBU ở xa 60
Hình 3 4: Mô hình truyền dữ liệu RSU về Server 60
Hình 3 5: Mô hình truyền theo phương pháp trạm – trạm 61
Hình 3 6: Mô hình truyền theo phương pháp trạm – đa trạm 62
Hình 3 7: Lưu đồ thuật toán OBU 63
Hình 3 8: Sơ đồ trạng thái hoạt động OBU 64
Hình 4 1: Thông số cấu hình GPRS một số mạng ở Việt Nam 69
Hình 4 2: Một số API hỗ trợ lập trình 70
Hình 4 3: Mã nguồn hàm gửi lệnh AT xuống modem 71
Hình 4 4: Mã nguồn hàm cấu hình chế độ GPRS cho modem 72
Hình 4 5: Mã nguồn hàm kết nối RSU về trung tâm 73
Hình 4 6: Thuật toán xử lý kết nối tại RSU 73
Hình 4 7: Thiết lập cấu hình modem GPRS 74
Hình 4 8: RSU kết nối tới trung tâm 75
Hình 4 9: Bảng mã ASCII 76
Hình 4 10: Trường hợp dữ liệu chứa ký tự [ETX] 77
Hình 4 11: Khi dữ liệu GPRS chứa ký tự [ETX] 77
Hình 4 12: Khi dữ liệu chứa ký tự [DLE] 78
Hình 4 13: Khi dữ liệu GPRS chứa ký tự [DLE] 78
Hình 4 14: Thuật toán mã hóa GPRS 79
Hình 4 15: Mã nguồn hàm mã hóa GPRS 80
Hình 4 16: Thuật toán giải mã dữ liệu GPRS 81
Hình 4 17: Mã nguồn hàm giải mã dữ liệu GPRS 82
Hình 4 18: Sơ đồ truyền số liệu tọa độ từ OBU về Server 82
Hình 4 19: Cấu trúc dữ liệu tọa độ 83
Hình 4 20: Lưu đồ thuật toán làm việc tại Server 84
Hình 4 21: Tạo socket tại trung tâm 85
Hình 4 22: Bind socket với địa chỉ IP 85
Hình 4 23: Trung chờ kết nối từ RSU 86
Hình 4 24: Chấp nhận kết nối từ RSU 86
Hình 4 25: Nhận và xử lý dữ liệu GPRS tại trung tâm 87
Hình 4 26: Server chờ kết nối từ RSU 88
Hình 5 1: RSU cấp IP 10.0.0.10 cho OBU 90
Hình 5 2: OBU nhận IP và set 10.0.0.10 91
Hình 5 3: RSU thu lại IP 10.0.0.10 khi hết thời gian timeout 91
Hình 5 4: OBU thông báo các IP đang sử dụng trong vùng RSU phủ sóng nó. 92
Hình 5 5: OBU vào vùng phủ sóng của RSU1 92
Hình 5 6: OBU luân chuyển từ vùng phủ sóng của RSU1 sang RSU2 93
Hình 5 7: OBU lấy IP do RSU2 cấp 93