توضیحات

پروژه برنامه نویسی متلب بهبود مدیریت تحرک در شبکه های بین خودرویی (VANET)

معرفی شبکه VANET:

بدلیل گسترش روزافزون شهرها و شهرنشینی، امروزه جمعیت شهرها هر روز در حال افزایش است. این مسئله مستلزم گسترش خیابان ها و معابر و همچنین افزایش نظارت و بهبود کیفیت مدیریت شهری و مدیریت ترافیک است. VANET یکی از انواع شبکه های بی سیم موردی بوده همچنین یکی از فناوری های جدید در سیستم های حمل و نقل هوشمند هستند. امنیت، مهم ترین چالش این شبکه ها است؛ زیرا تنها یک اشتباه ساده می تواند عواقب فاجعه باری به دنبال داشته باشد. در این نوع شبکه برخی از خودروها در ارسال پیام های هشدار شرکت نکرده یا محتوای پیام ها را تغییر می دهند، که به خودروهای بدرفتار تعبیر می شوند. VANET  در حقیقت کلاسی از شبکه های MANETیا Mobile Ad hoc Network است که در آن خودروها به عنوان گره های شبکه در نظر گرفته می شوند. ارتباطات در این نوع شبکه می تواند از نوع خودرو به خودرو(V2V) و یا خودرو با زیر ساخت (V2I) باشد. خودروها زمانی با زیر ساخت کنار جاده ارتباط برقرار می کنند که این امکانات در جاده موجود باشد. زیرساخت ها که اغلب در چهاراه ها و نواحی مرزی قرار می گیرند، با فراهم کردن اطلاعاتی مربوط به ایمنی، شرایط ترافیک، امکانات اطلاع رسانی، سرگرمی ها و همچنین اطلاعاتی از مراجع ذیصلاح، به خودروها خدمت رسانی می کنند. در دهه اخیر فناوری های ارتباطات بی سیم به سرعت در زندگی روزمره ما توسعه پیدا کرده و انواع مختلفی از شبکه های بی سیم ظهور یافته اند. شبکه های خودرویی(VANET) یکی از این فناوری های نوظهور است که سرویس های مختلفی از ایمنی راننده ها اطلاعات ترافیکی، هشدارهای جاده ای، اطلاعات آب و هوایی تا پارکینگ های در دسترس و تبلیغات خیابانی را ارائه می دهند. به این ترتیب شبکه های خودرویی توانسته اند ایمنی جاده را افزایش داده، ترافیک و آلودگی هوا را کم کرده و رانندگی آسوده تری را فراهم کنند. ارتباطات خودرویی از امواج برد کوتاه در هریک از وسایل نقلیه استفاده کرده که امکان ارتباط انواع مختلف آنها با یکدیگر و همچنین با زیرساخت های کنار جاده ای را فراهم می کند. این خودروها سپس نمونه ای از VANET در بین خودروها تشکیل میدهند که در عموم به نام VANET شناخته شده است. در این نوع شبکه ها، خودروها نقش گره هایی را ایفا می کنند که بدون هیچ شناخت قبلی از یکدیگر قادر به شکل دادن شبکه های خودسازماندهی شده هستند. کاربردهای متنوعی که در مورد فناوری VANET گسترش یافته پتانسیل بالای این فناوری را نشان می دهد. VANETها همه انواع VANET را که با استفاده از امواج برد کوتاه در خودروهای خصوصی (مصرف کننده) و عمومی(حمل و نقل عمومی) نصب شده است، شامل می شود. بنابراین اولین نیازمندی VANETها در حقیقت مجهز بودن به امواج برد کوتاه جهت برقراری ارتباط است. بخش های دیگری نیز جهت فراهم کردن امکاناتی نظیر اطلاعات موقعیتی دقیق، ارتباط با واحدهای زیرساخت کنار جاده ای و مراجع مسئول مرکزی جهت مدیریت شناسه و ثبت نام اعضاء به گره های VANET اضافه شده است. ارتباطات در این شبکه ها هم ارتباطات خودرو به خودرو و هم ارتباطات خودرو با زیرساخت را شامل میشود. خودروها با یکدیگر زمانی ارتباط برقرار می کنند که در برد ارسال پیام دیگری قرار گرفته باشند. خودروها همچنین زمانی با زیرساخت کنار جادهای ارتباط برقرار می کنند که این امکانات در جاده موجود باشد. زیرساخت کنار جاده ای نیز انتشارهایی دائمی و یا دوره ای خواهد داشت که به ناحیه و وسعت گسترش، وابسته است. اگرچه بهتر است این زیرساخت به طور دائمی در محدوده نمایش داده شود، اما ممکن است در عمل با توجه به هزینه بالای توسعه به صورت دورهای نمایش داده شود.

اجزای اصلی شبکه VANET:

یک خودرو برای اضافه شدن به یک شبکه VANET به یک گیرنده/فرستندة سیگنال ها و اطلاعات(همانند کارت شبکه بی سیم) و یک دستگاه کنترل کننده شامل یک تراشه مرکزی نیاز دارد. پروتکل اصلی شبکه بین خودرویی موردی، DSRC و پروتکل ارتباطی، 802.11p است. همچنین محدوده پوشش دهی این تجهیزات باید از سیصد متر تا چند کیلومتر(در جدیدترین طرح ها صحبت از دو الی سه کیلومتر است) باشد. ایستگاه ها و آنتن های کنار جاده با اتصال به اینترنت و شبکه ترافیک شهری، اطلاعات را با دستگاه بی سیم خودرو رد و بدل می کنند. اجزای اصلی شبکه VANET را OBU AU و RSU تشکیل می دهد.

واحد روی برد(OBU) یا On-Board Unit: یک OBU تجهیزاتی است که بر روی خودرو سوار شده است و برای مبادله اطلاعات با RSUها و OBUهای دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. کارهای اصلی OBU عبارتند از: دسترسی رادیویی بی سیم، مسیریابی اقتضایی و جغرافیایی، کنترل تصادم در شبکه، انتقال پیام قابل اطمینان، امنیت داده و IP متحرک.

واحد کاربرد (AU): تجهیزاتی است که در خودرو قرار داشته و وظیفه اش استفاده از برنامه های کاربردی است که توسط فراهم کننده سرویس ها در اختیارش قرار گرفته است. AU می تواند برای یک کاربرد خاص (مثل ایمنی) اختصاصی شده باشد و یا یک قطعه معمولی بوده و مانند یک PDA برای اتصال به اینترنت مورد استفاده قرار گیرد.

واحد کنار جاده(RSU): یک RSU تجهیزاتی است که معمولاً در کنار جاده به صورت ثابت قرار گرفته است و یا در محلی خاص مثل یک پارکینگ عمومی نصب شده است. باتوجه به استاندارد ارائه شده توسط کنسرسیوم ارتباطات(CC) وظایف اصلی که توسط RSU پوشش داده می شود عبارتند از:

-گسترش بازه ارتباطات شبکه اقتضایی(VANT) با بازتوزیع اطلاعات به دیگر OBUها و همینطور ارسال آنها به RSUهای دیگر جهت قرارگرفتن در اختیار دیگر OBUها.

شکل وظیفه بازتوزیع اطلاعات.

-اجرای کاربردهای ایمنی مثل اخطارهای مربوط به موانع کوچک و هشدارهای تصادف، ارتباطاتV2I و همچنین ایفای نقش منبع اطلاعات.

شکل وظیفه کاربردهای ایمنی.

-فراهم کردن اتصال به اینترنت برای OBUها.

شکل وظیفه اتصال به اینترنت.

اجزای یک خودروی عضو شبکه VANET:

یک خودرو برای اضافه شدن به شبکه VANET به یک گیرنده فرستنده سیگنال ها و اطلاعات (همانند کارت شبکه بی سیم) و یک دستگاه کنترل کننده(شامل یک تراشه مرکزی) نیاز دارد. پروتکل اصلی شبکه بین خودرویی اقتضایی، DSRC و پروتکل ارتباطی802.11P است. همچنین محدوده پوشش دهی این تجهیزات باید از سیصد متر تا چند کیلومتر (در جدیدترین طرح ها دو الی سه کیلومتر) باشد.

شکل اجزای مورد نیاز در خودرو.

ایستگاه ها و آنتن های کنار جاده با اتصال به اینترنت و شبکه ترافیک شهری، اطلاعات را به دستگاه بی سیم خودرو ارسال می کنند. مهم ترین بخش شبکه VANET حسگرهایی هستند که باید در قسمتهای مختلف خودرو به کار گرفته شوند و وضعیت خودرو و محیط خارجی را به راننده و کنترل کننده گزارش کنند؛ و یا فرامین راننده یا اطلاعات دریافتی از خودروهای دیگر را اعمال کنند. حسگرها در VANET به دو نوع تقسیم می شوند: حسگرهای خودمختار و حسگرهای مشارکت کننده.

حسگرهای خودمختار شامل حسگرهای ART یا Acceptance Range Threshold برای سنجش محدوده رادیویی و ارتباط خودرو با دیگر گره های شبکه، MGT یا mobility grade threshold برای سنجش حداکثر سرعتی که راننده می تواند داشته باشد و هنوز در شبکه باقی بماند، MDT یا maximum density threshold برای تشخیص خودروهایی که به طور فیزیکی در شبکه وجود دارند( این حسگر برای مقابله با حملات Sybil کاربرد دارد) و حسگرهای دیگری برای شناسایی وضعیت خودرو در نقشه و تعیین فاصله با خودروهای جلویی و عقبی هستند. حسگرهای مشارکت کننده برای اعلام تغییر وضعیت خودروهای همسایه، رسیدن به یک مکان خاص و دریافت اطلاعات مورد نیاز راننده، نیز کاربرد دارند.

دامنه های ارتباطی شبکه های بین خودرویی( VANET):

دامنه های ارتباطی شبکه های بین خودرویی( VANET ) به سه نوع تقسیم می شود:

شکل انواع دامنه های ارتباطی در VANET

حوزه درون خودرویی(in vehicle): این حوزه شامل یک OBU یا واحد تعبیه شده در خودرو و یک یا چند AU یا واحد کاربرد است. اتصال بین آنها می تواند سیمی یا بی سیم باشد. OBU با AU ارتباطی جهت اجرای یک یا چند برنامه کاربردی ایجاد خواهد کرد.

حوزه اقتضایی: حوزه اقتضایی از خودروهای مجهز به OBU و زیرساخت های کنار جاده ای با RSU تشکیل شده است. دو نوع ارتباط در این حوزه برقرار است:

-یک خودرو با خودرویی دیگر به طور مستقیم ارتباط برقرار می کند(V2V). این ارتباط به صورت تک جهشی بوده و اگر هیچ اتصال مستقیمی بین دو خودرو نبود، با استفاده از یک پروتکل مسیریابی اختصاصی و تشکیل یک ارتباط چند جهشی، اتصال بین دو خودرو برقرار می شود.

-یک خودرو با یک زیرساخت ارتباط برقرار می کند(V2I). این ارتباط جهت ارتقاء نرخ ارسال و دریافت بهتر توسط RSU و همچنین توانایی پردازش برنامه های خاص توسط RSU، ایجاد می شود.

حوزه زیرساخت: یک RSU می تواند به یک شبکه زیرساختی و یا اینترنت متصل شده و برای OBU امکان دسترسی به شبکه زیرساختی را فراهم کند. در این حوزه همچنین OBU می تواند برای کاربردهای غیرایمنی با استفاده از شبکه های رادیویی سلولی (مثل: GSM GPRS ،UMTS) با میزبان های دیگر ارتباط برقرار کند.

ویژگی های شبکه های بین خودرویی( VANET):

تعداد گره ها: تراکم گره ها در VANET متفاوت است. این تراکم می تواند به عنوان مثال در یک ناحیه روستایی کم بوده و یا در یک کلان شهر در ساعات ترافیک، بسیار زیاد باشد. چالش اصلی در مناطق کم تراکم قطع شدن های پی در پی ارتباط است، در حالیکه مقیاس پذیری مهمترین مسأله نواحی متراکم خواهد بود.

–تحرک بالای گره(Mobility): گره ها در شبکه VANET می توانند با سرعت خیلی بالا (160 km/h ) جابجا شوند، که بازهم موجب قطع شدن های پی در پی ارتباط بین گره ها می گردد. اگر خودرویی با سرعت خیلی بالا حرکت کند و بخواهد با خودرویی که سرعتی به مراتب پایین تر دارد ارتباط برقرار کند، طول عمر اتصال آنها بسیار کوتاه خواهد بود.

–توپولوژی شبکه قابل پیش بینی: حرکت گره ها در VANET باتوجه به این حقیقت که توسط ساختار خیابانها محصورشده است، قابل پیش بینی خواهد بود. این ساختار شامل: علائم جاده ای، چراغ های راهنمایی و رانندگی و نوع تحرک دیگر خودروها میشود.

تغییر مکرر توپولوژی شبکه: به خاطر تحرک بالای گره ها، توپولوژی شبکه VANET بسیار پی در پی تغییر می کند. وجود یک پروتکل MAC مناسب که بتواند با این تغییرات سریع، بدون مشکل منطبق شود، ضروری می شود.

در دسترس بودن اطلاعات موقعیت: اطلاعات موقعیت می تواند با در اختیار داشتن یک سیستم موقعیت یاب جهانی(GPS) فراهم گردد. در دسترس بودن این اطلاعات نه تنها تاخیر تحویل را در انتشار پیام کاهش می دهد، بلکه می تواند توان سیستم را نیز افزایش دهد.

پشتیبانی از زیرساخت: برخلاف بیشتر شبکه های VANET ,MANETها می توانند از مزایای زیرساخت در جاده ها بهره ببرند. وجود زیرساخت میتواند کیفیت پروتکل های طراحی شده برای این نوع شبکه را بهبود بخشد.

نامحدود بودن توان: بازهم برخلاف گره های MANET گره ها در VANET هیچگونه محدودیت انرژی ندارند. آنها به یک منبع توان خوب(باطری خودرو) وابسته هستند که باعث می شود بتوان از منابع کاراتری در گره ها استفاده کرد.

توانایی محاسباتی بالا: چون گره های ما در VANET، خودروها هستند، می توان آنها را به تعداد کافی حسگرها و منابع محاسباتی (مانند: پردازشگرها، ظرفیت حافظه بزرگ، فناوری های پیشرفته آنتن)، مجهز نمود. این منابع، ظرفیت محاسباتی گره ها را افزایش داده و به برقراری ارتباطات بی سیم معتبر کمک میکند.

–ارائه کاربردهای جدید در رانندگی: VANET ارتباطات مستقیم را میان خودروهای در حال حرکت فراهم می کند؛ درنتیجه اجازه می دهد مجموعه ای از کابردها با ارتباط مستقیم بین گره ها، بر روی شبکه به کار گرفته شوند. چنین کاربردهایی می تواند رانندگانی که در یک جهت در حال سفر هستند را به هم متصل کند. علاوه براین انواع دیگری از کاربردها می توانند از طریق این نوع شبکه به منظور بهبود راحتی مسافران و کم شدن ترافیک توسط انتشار اطلاعاتی همچون آب و هوا، جریان ترافیک و اطلاعات موردی (مثل: ایستگاه گاز، مراکز خرید، رستوران و…)، مورد استفاده قرار گیرند.

کاربردهای شبکه های VANET:

ارتباطات V2V و V2I اجازة توسعة تعداد زیادی از کاربردها را داده و محدودة وسیعی از اطلاعات را برای رانندگان و مسافران فراهم می سازد. کاربردهای اصلی VANET شامل فراهم کردن اطلاعات ایمنی، مدیریت ترافیکی عوارض عبور و مرور، سرویس های مبتنی بر موقعیت، آگهی رسانی و همچنین سرگرمی است. یکی از مهمترین کاربردها شامل فراهم کردن اطلاعات وابسته به ایمنی است. این کاربردها از ارتباط بی سیم بین خودروها یا بین خودروها و زیرساخت، به منظور بهبود ایمنی جاده و جلوگیری از تصادفات، استفاده می کنند. کاربرد ایمنی به عنوان یک نیاز ضروری جهت جمع آوری اطلاعات به حسگرهای خودرو و یا وجود دیگر خودروها احتیاج دارد. درنهایت این پیام ها براساس نوع کاربرد، به صورت پیام های امن به سایر خودروها و یا زیرساخت ارسال می گردد.

شکل کاهش تصادفات زنجیره ای به عنوان یکی از کاربردهای VANET

به موازات اطلاعات وابسته به ایمنی، پیام های وابسته به تعهدات رانندگان است، که مشخص می کند کدام خودروها در محدوده یک حادثه بوده اند و بنابراین بعدا به اثبات مسئولیت حادثه کمک خواهند کرد.

VANETها میتوانند با فراهم کردن اطلاعات مختلفی برای راننده ها مانند اینکه خودروی جلویی ترمز کرده است یا خیر و با سرعت بیش از حد مجاز است و یا حتی فاصله تا خودروهای دیگر یا اشیاء بسیار کم شده است، تا حد زیادی از تصادفات جلوگیری کنند. هشت کاربرد ایمنی برمبنای مشورت بین کارگزاران دولتی و صنعت در مراجع مختلف مشخص شده است که عبارتند از: اخطارهای تخطی از چراغ راهنمایی، اخطارهای منحنی سرعت، چراغ های ترمز اضطراری به صورت الکترونیکی، اخطارهای قبل از حادثه، اخطارهای مربوط به تصادفات جلویی، راهنمای گردش به چپ، اخطارهای تغییر مسیر خط کشی و راهنمای علامت توقف.

کاربرد دیگر VANET برای مدیریت ترافیک است که وظیفه اصلی آن تضمین این مسئله است که خودروها کوتاهترین مسیر تا مقصد را انتخاب کرده اند، همچنین از نواحی شلوغ چشم پوشی کرده و مسیرهای انحرافی مناسب را در زمان ترافیک و یا تصادفات معرفی کند. VANETها همچنین پتانسیل آسان کردن پرداخت عوارض مختلف عبور و مرور با استفاده از پیاده سازی امکان پرداخت آنلاین را داشته و البته علاوه بر آن توانایی انتخاب ارزان ترین مسیر بین مبدأ تا مقصد خودروها را نیز خواهند داشت. سرویس های مبتنی بر موقعیت هم اکنون با استفاده از GPS در دسترس است، اما اطلاعات مشابهی با کمک گرفتن به صورت زمان واقعی از زیرساختهای کنار جاده ای و همچنین دیگر خودروها در اختیار خواهد بود. به عنوان آخرین دسته از کاربردها، سرویسهای آگهی و سرگرمی هستند. این طبقه بندی از کاربردها به کاربردهای غیر ایمنی گفته می شود و هدف آن بهبود سطح راحتی رانندگان و مسافران و افزایش بهره وری ترافیک است. وضعیت آب و هوا، اطلاعات ترافیک، موقعیت نزدیک ترین رستوران، پمپ بنزین و هتل به همراه قیمت آن از جمله مواردی است که برای رانندگان فراهم می شود. همچنین امکان بازی آنلاین، دسترسی به اینترنت، ارسال و دریافت پیام در زمانی که وسیله نقلیه به شبکه زیرساخت متصل است، امکان پذیر می گردد.

شرح پروژه:

در این پروژه برنامه نویسی مدیریت تحرک(mobility) در شبکه های بین خودرویی(VANET) در نرم افزار متلب(MATLAB) انجام شده است.

نمونه نتایج: