Vanet؛ شبكه بين خودرويي موردي (قسمت اول)
بدون شك ويژگي‌ها و قابليت‌هاي شبكه‌اي، يكي از پارامترهاي مهم خودروهاي آينده هستند. همان‌طور كه در يك اداره يا خانه تجهيزات مختلف به هم شبكه مي‌شوند؛ خودروها نيز در هنگام حركت، يك نود از شبكه خواهند بود و مي‌توانند طيف وسيعي از اطلاعات مانند وضعيت آب‌وهوا، ترافيك، داده‌هاي مالتي‌مديا، سيگنال‌هاي هشدار و هر نوع اطلاعات قابل تصور ديگر (حتي به‌روزرساني ضد‌ويروس اسمارت‌فون از طريق اتصال به اينترنت خودرو كناري) را مبادله كنند. چندين روش براي شبكه‌كردن خودروها وجود دارد كه هريك مزايا و معايب خاص خود را دارند. در اين مقاله ابتدا نگاهي كلي به انواع شبكه‌هاي خودرويي داشته و به‌طور مفصل شبكه‌هاي بين خودرويي موردي VANET ( سرنام Vehicular Ad Hoc Network)را بررسي خواهيم كرد.
انواع شبكه خودرويي
ارتباط ميان خودروها با دنياي خارج و ارتباط ميان خودروها در هنگام حركت، رؤياي قديمي بشر بوده است و تاريخچه نخستين تلاش‌ها براي تحقق اين رؤيا به بيش از چهل سال پيش برمي‌گردد. در آن زمان با نصب يك آنتن روي خودروهاي خاصي مانند خودروهاي پليس يا اورژانس و تنظيم‌كردن آنتن‌ها روي يك فركانس خاص در يك محدوده جغرافيايي، سعي مي‌كردند يك ارتباط راديويي و شبه تلفني را ايجاد كنند. در سال 1999 كميسيون ارتباطات فدرال ايالات‌متحده (FCC) با تصويب استانداردها و پهناي باند لازم براي ارتباط خودروها با تجهيزات ثابت كنار جاده، عملاً فاز جديدي از شبكه‌هاي بين خودرويي را ايجاد کرد كه اين حركت با تصويب استاندارد DSRC (سرنام Dedicated Short Range Communications) در سال 2003 تکميل شد. در اين استاندارد پهناي باند 5,9 گيگاهرتز به ارتباطات بين خودرويي اختصاص يافته است و روي اين فركانس بين هفت تا ده كانال (5,850 گيگاهرتز تا 5,926 گيگاهرتز) تعريف مي‌شود كه يك كانال به صورت ويژه به افزايش ضريب امنيت خودروها و ساير كانال‌ها به كاربردهاي خاص، اختصاص يافته است. پس از اين رخدادها، انواع ارتباطات ميان خودروها براساس فناوري‌ها و زيرساخت‌هاي متفاوت مطرح شده و هريك مسيري جداگانه براي توسعه و مجهز‌کردن خودروها به امكانات شبكه‌اي در پيش‌گرفتند. اگر بخواهيم شبكه‌هاي خودرويي را براساس رسانه انتقال اطلاعات تقسيم‌بندي كنيم، به سه دسته‌كلي مي‌رسيم: شبکه‌هاي مبتني‌بر امواج راديويي (Wireless)، مبتني‌بر مكان‌يابي (GPS) و مبتني‌بر حسگرها و تراشه‌هاي داخلي‌تقسيم‌بندي بعدي شبكه‌هاي بين خودرويي مي‌تواند براساس زيرساخت شبكه باشد. در اين تقسيم‌بندي سه نوع شبكه كلي سلولي، اختصاصي و موردي داريم كه در ادامه دو نوع نخست به صورت اختصار و نوع سوم به صورت کامل بررسي مي‌شود.
شبكه‌هاي خودرويي سلولي
در شبكه‌هاي سلولي از فناوري‌هاي 3G، 4G و GSM استفاده مي‌شود و به طور عمده اپراتورهاي تلفن‌همراه و سرويس‌دهنده‌هاي باندپهن موبايل بازيگران اصلي اين حوزه هستند. همان‌طور كه در شكل1 مشخص است در كنار جاده يك سري ايستگاه مركزي ثابت (Base Station) وجود دارد كه مي‌توانند به اينترنت و شبكه‌هاي درون شهري متصل باشند. خودروها از طريق امكانات موبايل مي‌توانند به اين ايستگاه‌ها متصل شده و اطلاعات ترافيكي يا آب‌وهوا را دريافت كنند. همچنين مي‌توانند به اينترنت متصل شده و از طريق سرويس‌هاي كلاود به شبكه محل‌كار يا خانه دسترسي پيدا كنند. مزيت اين شبكه‌ها استفاده از زيرساخت‌هاي آماده موبايل و باندپهن ارائه‌شده توسط اپراتورهاي موبايل است. پيش‌بيني مي‌شود با ورود نسل جديد 4G و افزايش سرعت و پهناي باند، اين نوع شبكه‌ها رواج و استقبال بيشتري را شاهد باشند. عيب بزرگ شبكه‌هاي سلولي عدم امکان استفاده براي كاربردهاي ايمني خودروها به خاطر تأخيرهاي ذاتي اين نوع شبكه‌ها است اما چنين شبکه‌هايي براي استفاده‌هاي معمول مانند استفاده از اينترنت و سرگرمي بسيار مناسب هستند.
| "مزيت شبكه‌هاي خودرو ي سلولي استفاده از زيرساخت‌هاي آماده موبايل و باندپهن ارائه‌شده توسط اپراتورهاي موبايل است." |
شبكه‌هاي خودرويي اختصاصي
در شبكه‌هاي اختصاصي، يك شركت ثالث مي‌تواند با نصب تجهيزات ثابت كنار جاده‌ها يا در تقاطع‌ها و ايجاد يك سري ايستگاه‌هاي سرور و نصب رابط‌ها در خودروها، بين خودروها و دنياي خارج ارتباط برقرار كند(شكل2). سيستم VICS در ژاپن نمونه‌اي از اين نوع شبكه‌ها است كه اطلاعات ترافيكي را از خودروهاي مختلف جمع‌آوري‌كرده و به يك سيستم‌مركزي هدايت مي‌كند. سيستم‌مركزي به صورت هوشمند؛ پس از تجزيه و تحليل اطلاعات دريافتي وضعيت ترافيكي جاده‌ها و خيابان‌هاي مختلف، اطلاعات مورد نياز ساير راننده‌ها را استخراج كرده و دوباره به ايستگاه‌ها كاري كنار جاده‌ها ارسال مي‌كند تا خودروها اين اطلاعات را دريافت و براي مسيرهاي بعدي خود تصميم‌گيري كنند. اين نوع شبكه‌ها معايب زيادي دارند. هزينه بالاي نصب و راه‌اندازي تجهيزات و زيرساخت لازم در تمام جاده‌ها و مراكز اصلي تردد خودروها، تأخير در ارسال و دريافت اطلاعات و تأخير در دسترسي به اطلاعات استخراج شده از وضعيت ترافيكي جاده‌ها و الگوريتم‌هاي هوشمند مربوط به محاسبات، برخي از معايب شبكه‌هاي خودرويي اختصاصي هستند.
| "تفاوت اصلي شبكه‌هاي VANET با شبكه‌هاي سلولي و اختصاصي اين است كه هيچ ايستگاه يا نود مركزي، مديريت و كنترل شبكه را برعهده ندارد و شبكه از يك سري خودرو تشكيل شده است." |
شبكه‌هاي بين خودرويي موردي
ايده اوليه شبكه‌هاي VANET (Vehicular Ad Hoc Network) براي نخستين‌بار در سال 1998 توسط يك گروه مهندسي به نام Delphi Delco Electronics Systems با همكاري شركت آي‌بي‌‌ام مطرح شد. شبكه VANET با استفاده از امواج راديويي انواع ارتباط‌هاي خودرو به خودرو (V2V) و خودرو به زيرساخت (V2I) را ايجاد مي‌كند. خودروها به صورت كاملاً خودمختار با يكديگر ارتباط برقرار كرده و يك شبكه غيرساختارمند بي‌سيم ايجاد‌مي‌كنند (شكل3).تفاوت اصلي شبكه‌هاي VANET با شبكه‌هاي سلولي و اختصاصي اين است كه هيچ ايستگاه يا نود مركزي، مديريت و كنترل شبكه را برعهده ندارد و شبكه از يك سري خودرو (در اينجا فرض كنيد نود شبكه) تشكيل شده كه متحرك بوده و جاي ثابتي ندارند و هيچ‌يك نقش روتر يا اكسس‌پوينت را بازي نمي‌كنند. در حقيقت شبكه‌هاي VANET يك نوع خاص شبكه‌هاي MANETs (سرنام Mobile Adhoc Networks) هستند كه نودهاي آن خودروها خواهند بود. هر خودرو مي‌تواند در هر لحظه خودروهاي اطرافش را شناسايي‌كرده و با اتصال به آن‌ها يك شبكه تشكيل داده و ارتباطات لازم را برقرار کند. اين خودرو کمي بعدتر با خودروهاي جديد اطرافش يك شبكه ديگر ايجاد خواهد کرد. مبناي اصلي شبكه‌هاي VANET غيرساختارمند‌بودن آن‌ها و استفاده از استاندارد 802.11p و DSRC است. بنابراين اين نوع شبكه‌ها به سرعت مي‌توانند تغير توپولوژي داده و با توجه به اين‌كه از نظر مصرف انرژي و منابع محاسباتي مشكلي ندارند، انعطاف‌پذيري زيادي ايجاد كنند. براي نمونه، يك خودرو مي‌تواند همزمان به چندين شبكه VANET متصل باشد و اطلاعات لازم را دريافت كند. محدود‌ه‌هاي جغرافيايي شبكه VANET مي‌تواند دايره‌هايي به شعاع حداكثر چند كيلومتر باشد و هر خودرو مي‌تواند براي مثال با خودروهاي جلويي در فاصله دو يا سه كيلومتر ارتباط برقرار كند.
" VANET سه‌كاربرد اصلي و مشخص دارد: ايمني (
safety)، راحتي (Convenience) و کاربرد تجاري (Commercial)." |
بنابراين، يك ويژگي ديگر اين نوع شبكه‌ها برد كوتاه آن است. در شبكه‌هاي VANET مي‌توان به ايستگاه‌هاي مركزي (BS) يا اينترنت نيز متصل شد و با آن‌ها تبادل اطلاعات کرد، اما مبناي اصلي شبكه، ارتباطات بين خودرويي است. VANET يكي از اجزاي اصلي سيستم‌هاي حمل‌ونقل هوشمند (Intelligent Transportation Systems) است و در چند سال اخير تحقيقات و پروژهش‌هاي زيادي روي آن انجام شده است و اميدهاي فراواني به آن وجود دارد. علت اين اهميت نيز ارتباط مستقيم اين نوع شبكه‌ها با ايمني خودروها و ترافيك است.
پروتكل‌هاي VANET
استاندارد DSRC به هفت باند فركانسي ده مگاهرتز تقسيم مي‌شود. باند فركانسي 178 براي كنترل باندهاي فركانسي ديگر جهت اطمينان از ارتباطات امن روي شبكه به کار مي‌رود. همچنين دو باند فركانسي به ارسال و دريافت اطلاعات اختصاص داده شده است. مؤسسه IEEE براي شبكه‌هاي VANET چهار استاندارد منتشر كرده است:
IEEE 1609.1: براي مديريت منابع
WAVE (Wireless Access for Vehicular Environments) مورد استفاده قرار مي‌گيرد.
IEEE 1609.2: استانداردهاي امنيتي شبكه VANET را بيان مي‌كند و شامل فرمت‌هاي پيغام‌ها، فرآيندها و تغييرات است.
IEEE 1609.3: سرويس‌هاي مسيريابي و انتقال و نحوه استفاده از IPv6 را توضيح مي‌دهد.
IEEE 1609.4: مشخصات كانال‌ها روي استاندارد DSRC را مشخص مي‌كند. WAVE از پروتكل تغيير يافته 802.11a به نام 802.11p براي لايه MAC استفاده مي‌كند و از CSMA/CA به عنوان برنامه دسترسي رسانه انتقال سود مي‌برد. در حقيقت، پروتكل 802.11p با استفاده از مدولاسيون FDM و در نظر گرفتن سرعت خودروها و جابه‌جايي سريع آن‌ها، حداكثر محدوده پوشش‌د‌هي امواج راديويي را مشخص کرده و يك دامنه چند كيلومتري را سيگنال‌دهي كند.
منبع :ماهنامه شبکه - فروردین و اردیبهشت 1391 شماره 132
