بخشی از مقاله
چکیده
شبکههای خودروی موقتی - VANET - نوعی از شبکههای موقتی همراه - MANET - میباشند که در آن، خودرو بهعنوان یک روتر و همچنین میزبان عمل نموده و وظیفهی انتقال و دریافت اطلاعات و دادهها به خودروهای مجاور و همچنین تجهیزات موجود در جادهها را بر عهده دارد. وجود چنین شبکههای موقتی، امکان بالا بردن ایمنی به هنگام رانندگی، صرفهجویی در زمان و همچنین هزینه را بر عهده دارد و در عبارتی کلی، کیفیت رانندگی را ارتقا میبخشد.
در شبکههای VANET، بایستی مسیر انتقال داده و نحوهی انتقال آن به صورتی باشد تا از بروز تصادفات و برخوردهای ناخواسته، رخداد ترافیک و غیره تا حد ممکن اجتناب شود. در این مقاله سعی بر آن است تا پروتکلهای مختلف مسیریابی داده موردبررسی قرارگرفته بهنحویکه مسیر انتقال داده در مناطق شهری و آزادراهها با کمترین تأخیر صورت گرفته و اطمینان از رسیدن اطلاعات به مقصد و عدم از دست رفتن بستههای اطلاعات حاصل گردد.
-1 مقدمه
در اولین سالهای تولید اتومبیل و تولید این ساخته دست بشر تا به امروز جهان شاهد پیشرفتهای زیادی در این صنعت بوده است که یکی از بنیادیترین صنایع قرن حاضر هست. در این مقوله الکترونیک خودروها تا حدی از قافله پیشرفت عقب افتاد، چون در ابتدا بیشتر توجه خودروسازان بر طراحی موتور، شاسی،فرم اتاق و...متمرکزشده بود.
همچنین استفاده وسیع از وسایل الکترونیکی تا به این حد که امروزه در خودروها کاربرد دارد، موردتوجه نبود؛ اما با توجه به مسائل بالا و افزایش قیمت قطعات مصرفی و دستمزد بالا، سعی بر کاهش هزینه و بالا بردن کیفیت خودرو، توجه خودروسازان را به لزوم ساده کردن سیمکشی موجود خودرو و ارتقاء این سیستم برای بهکارگیری منابع مصرفکننده در خودرو معطوف کرد.
دراینبین توجه متخصصان به دستگاهی که در صنایع مخابراتی مورداستفاده بود، معطوف شد که تلفیق این سیستم با سایر فنآوریهای موجود امروزی، در خودروسازی مورداستفاده قرار گرفت. با ورود دانش فناوری ارتباط به دنیای اتومبیلسازی، شرکتهای اتومبیلسازی بیشترین سعی خود را در ساختن تجهیزات ارتباطی داخل خودرو برای افزایش ایمنی، کاهش اتلاف منابع، مسیریابی صحیح برای کاهش اتلاف وقت و بهبود در تجربه رانندگی و جلوگیری از ترافیک و همینطور استفاده از امکانات تفریح و سرگرمی و راحتی بیشتر افراد نمودهاند.
امروزه خودروها قادر هستند تا از فنآوری ارتباطی بیسیم در ارتباطات خود استفاده نمایند. ازاینرو استفاده از شبکههای خودروی موقتی بهگونهای که در آن هریک از خودروها، خود در نقش یک گره میباشند، امروزه موردتوجه و استفاده قرارگرفته است. در این نوع از شبکهها، هر خودرو بسته به علائم و هشدارهای رانندگی سرعت و مسیر خود را تعیین مینماید.
کاربردهای بسیار متعددی برای این نوع از شبکهها وجود داشته و شبکههای خودروی موقتی میتوانند برای اهداف متفاوتی مورداستفاده قرار گیرند. بالا بردن سطح ایمنی به هنگام رانندگی، اجتناب از رخداد تصادف، نظارت مداوم بر رانندگی در سطوح شهری و بینشهری ازجمله اهدافی است که در طی پیادهسازی این شبکهها مدنظر قرار میگیرد.
ازجمله چالشهای اساسی این نوع از شبکهها چگونگی برقراری اتصال مداوم میان خودروها در گرههای موجود در شبکه هست. یکی از زمینههای موردتوجه پژوهشگران در این زمینه، برقراری مسیری مناسب در انتقال دادههاست.
در شبکههای خودروی موقتی، میزان بالایی از تحرک وجود داشته و هر گره از خودروها بهعنوان یک میزبان و یا یک روتر بستههای اطلاعاتی را به دیگر گرهها ارسال نموده و توپولوژی خود در شبکه را بهسرعت تغییر میدهند .[2] در این نوع از شبکهها، توپولوژی بهسرعت تغییریافته و خودروها همواره به شبکه اتصال ندارند. عدم اتصال مداوم گرهها در شبکه، نرخ پایین در انتقال داده و تغییرات متناوب در توپولوژی شبکه، ازجمله مواردی است که شبکههای VANET را از دیگر شبکههای موقتی متمایز کرده است .
در مناطق شهری بسیاری از موانع وجود دارد که خود میتواند ارتباطات را قطع نمایدو وجود ساختمانهای بزرگ از نمونهی چنین موانعی محسوب میگردد. درنتیجهی وجود چنین موانعی باید به هنگام ایجاد ارتباط، اطمینان حاصل شود که بستههای اطلاعاتی از دست نرفته و همچنین تأخیر در انتقال اطلاعات تا حد ممکن کم باشد.
درنهایت بایستی بیان داشت که برخی از چالشهای پیش روی شبکههای خودروی موقتی - VANET - عبارتاند از:
· عدم انتقال داده بین گرهها بهواسطهی قطع ارتباط مداوم گرهها و همچنین تحرک بالا در این نوع شبکهها خود چالشی مهم به شمار میآید.
· نحوه گردآوری اطلاعاتی نظیر تصادف، محدودیت سرعت، وجود موانع و شرایط ترافیک و غیره بهمنظور بالا بردن ایمنی و همچنین آسایش راننده نیز از دیگر چالشهای این نوع از شبکهها به شمار میآید.
· چالش دیگر انتخاب خودروها به صورتی است که به هنگام تحویل داده، بستهها با حداقل تأخیر به هدف خود انتقال داده شوند.
انتقال دادهها با تأخیر چشمگیر و قابلتوجه میتواند مشکلات بسیاری را به همراه داشته باشد. ازاینرو در این مقاله سعی بر این است تا پس از مروری کلی بر شبکههای VANET، برخی کاربردها و ویژگیهای آن به مشروح بیان گردیده، ساختار این نوع از شبکهها موردبررسی قرارگرفته و در ادامه روشهای کاهش تأثیر در این نوع شبکهها موردبررسی قرار گیرد.
-1-1 کاربرد شبکه VANET
در راستای استفاده از شبکههای VANET، سه کاربرد عمده برای این شبکهها در نظر گرفتهشده است که عبارتاند از :
· ایمنی
افزایش ایمنی از مهمترین کاربردهای شبکههای خودروی موقتی است که بهوسیلهی کاهش تصادفات جادهای و اجتناب از مرگ حاصل میشود. طبق آمارهای جهانی تعداد بالایی از تصادفات جادهای که منجر به مرگ میشود نتیجهی تصادف بین خودروهاست. وجود این نوع شبکه به راننده این امکان را میدهد تا با در اختیار داشتن اطلاعات از مسیر، بتواند نظارت بیشتری بر رانندگی داشته و احتمال ایجاد تصادف را تا حد ممکن کاهش دهد.
· مدیریت ترافیک
کاهش میزان ترافیک شهری و صرفهجویی در وقت و هزینهها از دیگر کاربردهای شبکههای خودروی موقتی است که میتواند به انسجام بخشیدن کلانشهرها کمک قابلتوجهی نماید.
· کاربردهای سرگرمکننده
این نوع از کاربردها در حقیقت راحتی و آسایش را برای رانندگان و همچنین مسافران به همراه دارد. در این نوع از کاربرد، هدف این است که هرگونه اطلاعات در جهت بالا بردن آسایش راننده و مسافران در اختیار آنها قرار گیرد. مواردی نظیر جستجو و ارائهی نزدیکترین مراکز خرید، مراکز تفریحی، رستوران، کافی شاپو سینما، مثالهایی محدود از این کاربرد است.
-2-1 ویژگیهای شبکه VANET
علاوه برداشتن برخی ویژگیهای مشابه با شبکههای موقتی، VANET ها دارای ویژگیهای منحصربهفردی میباشند که آنها را از دیگر شبکهها متمایز مینماید و بر پژوهشها در این زمینه تأثیر میگذارد .[4] برخی از این ویژگیهای منحصربهفرد که به آنها اشارهشده است در ادامه بهصورت خلاصه آورده میشود:
· قابل پیشبینی اما دارای توپولوژی با پویایی بالا
· دارای مدل متحرک
· شامل محیطهای ارتباطی متفاوت
· قطع شدن اتصالات متناوب در طول شبکه
-3-1 چالش شبکههای VANET
نخستین و بزرگترین چالش شبکههای بین خودرویی موقتی، امنیت آنها است. بهراحتی میتوان تصور کرد که اگر کوچکترین تهدیدی متوجه اینگونه شبکهها شود چه عواقب ناگوار جانی و مالی به دنبال خواهد داشت و برخلاف اینترنت یا وب، سلامت و جان انسانها بهطور مستقیم در معرض خطر قرار میگیرد. کافی است شبکه VANET اطلاعات دقیقی به راننده ندهد تا شاهد تصادف و واژگونی و دهها رخداد دیگر باشیم.
همچنین کوچکترین اشتباه یا اخلال در برنامهها یا حسگرهای درون خودرو میتواند نتایج خطرناکی به دنبال داشته باشد.
شبکههای »بین خودرویی موقتی« میتوانند بزرگترین فناوری متحول کننده خودروها در دهه دوم هزاره دوم باشند و امنیت را به رانندگان هدیه کنند.« مسئله امنیت در شبکههای VANET آنقدر حساس و بحرانی است که یکی از عوامل اجرایی نشدن این شبکهها در سالهای گذشته محسوب میشود. انواع راهکارهای مبتنی بر رمزنگاری اطلاعات بین خودروها، ایزوله کردن شبکه و استفاده از مکانیکهای احراز هویت برای خودروهای جدیدی که میخواهند وارد شبکه شوند، طراحی برنامههای اختصاصی اعتبارسنجی مانند ELP، VPKI و بهکارگیری سختافزارهایی باقابلیت اطمینان 99,99 درصد و دهها طرح دیگر، برخی از کارهای صورت گرفته برای امن کردن شبکههای VANET است. بهغیراز امنیت، مسیریابی اطلاعات و ارتباط میان خودروها با سرعتبالا چالش بعدی است.
به علت نبود یک نود مرکزی، یک خودرو برای ارتباط با خودروی دیگری که بهطور مستقیم امکان ارسال و دریافت اطلاعات را ندارد، باید از خودروهای میانی استفاده کند و چون سرعت در این شبکهها یک فاکتور بسیار حیاتی است، الگوریتم مسیریابی اهمیت دوچندانی پیدا میکند. استفاده از سیگنالهای چندگانه، مکانیکهای تشخیص حضور و محو شدن خودروها در یک شبکه، پشتیبانی شرکتهای خودروساز از استانداردها و پروتکلها و ارتباط میان حسگرها از دیگر چالشهای شبکههای VANET است.
وجود تأخیر به هنگام ارتباط میان نودها یا گرهها نیز از دیگر چالشهایی است که در شبکههای موقت خودرویی وجود داشته و بایستی موردبررسی قرار گیرد.
-2 ساختار شبکههای VANET
همانگونه که در شکل 1 نشان دادهشده است، انتشار داده در شبکههای VANET به سه نوع ساختار وابسته است:
-3 نحوه عملکرد قطعات در شبکههای موقت بین خودرویی
داخل خودروهای شبکههای موقتی بین خودرویی، تجهیزات بسیاری نصب میشود تا امکان برقراری ارتباط با شبکه را داشته باشند. در بازههای زمانی خاص، پیامهای مربوط بهسرعت، ترافیک، علائم جادهای، وضعیت ترمزها و جهت حرکت توسط واحد داخل خودرو - OBU - به سایر خودروها همه پخشی میشود و پیامهای مربوط به سایر خودروها به خودروی موردنظر ارسالشده و مورد پردازش قرار میگیرند. در صورت وجود ترافیک یا تصادف و یا هر موقعیت اضطراری در مسیر، خودروها توسط سیستم موقعیتیابی جهانی - GPS - ، مکان خود را به مرکز خاصی اعلام میکنند که با اطلاعات دریافتی، سعی در استخراج تصویر لحظهای شبکه و خودروها دارد. همچنین در فواصل مشخصی اطلاعات مربوط به پیامها، توسط تجهیزات کنار جادهای به ایستگاه مرکزی - RSU - اطلاع داده میشود تا پیشبینی کلی در مورد رویدادهای تمام مناطق به دست آید.
پیامهای ترافیکی توسط ایستگاه پایه نیز به خودروها اطلاع داده میشود. ثبت اطلاعات خودرو مانند مکان، سرعت و زمان هنگام وقوع اتفاقات ضروری است که توسط واحد ضبط کننده وقایع - TPD - انجام میگیرد و مانند جعبه سیاه هواپیما عمل میکنند. اطلاعات توسط افرادی مانند مکانیک و یا پلیس استخراج میگردند تا در بررسی صحنهی تصادف و یا شناسایی مقصر و سایر اطلاعات تصادف، مورداستفاده قرار میگیرند. همچنین اطلاعات مربوط به پیامها توسط مراکز تصدیق هویت ثبت میشود تا در صورت لزوم از آنها استفاده شود.
شکل 2 اجزای حساس در شبکههای موقت بین خودرویی را نشان میدهد.
شکل : - 2 - اجزای حساس در شبکههای موقت بین خودرویی [4]
حساس بودن نحوهی ارتباط قطعات در داخل شبکه و وظایفی که باید دنبال نمایند اهمیت اطمینان از انتقال بستههای اطلاعاتی در حداقل زمان ممکن و نبود تأخیر بیشازحد را شفاف میسازد. در همین راستا در ادامه به راهکارهای کاهش تأخیر در شبکههای VANET پرداخته میشود.
-4 مروری بر راهکارهای کاهش تأخیر در شبکههای VANET
در این بخش سعی بر آن است تا راهکارهای کاهش تأخیر در شبکههای موقت بین خودرویی موردبررسی قرار گیرد. در راستای کاهش تأخیر از الگوریتمهای مختلفی استفادهشده است که در ادامه معرفی خواهند شد.
