Cải thiện lưu lượng giao thông sử dụng thuật toán virtual traffic light và giao thức định tuyến dymo trên nền omnet++

TÊN ĐỀ TÀI: Cải thiện lưu lượng giao thông sử dụng thuật toán Virtual Traffic Light và giao thức định tuyến DYMO trên nền OMNeT++ NHI ỆM VỤ VÀ NỘI DUNG  Nghiên cứu về mạng VANET  Ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HU ỲNH VĂN HOÀNG

Chuyên ngành: K Ỹ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã s ố: 60 52 02 08

LU ẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2015

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Đỗ Hồng Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 6 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ Tịch:

2 Thư ký:

3 Phản biện 1:

4 Phản biện 2:

5 Ủy Viên:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA C ỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Họ và tên học viên: Huỳnh Văn Hoàng MSHV:13460528 Ngày, tháng, năm sinh:1989 Nơi sinh: Bạc Liêu Chuyên ngành:Kỹ thuật Viễn thông Mã số:60 52 02 08

I TÊN ĐỀ TÀI: Cải thiện lưu lượng giao thông sử dụng thuật toán Virtual Traffic

Light và giao thức định tuyến DYMO trên nền OMNeT++

NHI ỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

 Nghiên cứu về mạng VANET

 Nghiên cứu các giao thức định tuyến trong mạng VANET

 Nghiên cứu thuật toán Virtual Traffic Light

 Nghiên cứu công cụ mô phỏng OMNeT++ và công cụ mô phỏng giao thông đường bộ SUMO

 Cài đặt và mô phỏng thuật toán Virtual Traffic Light trên phần mềm

OMNeT++ kết hợp với phần mềm SUMO

 Xây dựng thuật toán tìm đường không bị ùn tắc giao thông dựa trên giao thức định tuyến DYMO

 Rút ra kết luận, vấn đề tồn tại và hướng phát triển

III NGÀY GIAO NHI ỆM VỤ: 07-07-2014

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ: 25-06-2015

Đầu tiên, tôi muốn gửi lời chân thành cảm ơn đến thầy hướng dẫn luận văn của tôi

TS.Đỗ Hồng Tuấn Thầy đã dẫn dắt, định hướng cho tôi cách tư duy và làm việc khoa

học Đồng thời, thầy hướng tôi đến đề tài khoa học mới mẽ, tiếp cận với các công nghệ

hiện đại

Ngoài ra, tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trong bộ môn Viễn

Thông trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM Bởi trong suốt chương trình học Thạc Sĩ,

các thầy cô đã tận tình giảng dạy, cung cấp rất nhiều kiến thức quý báu

Cuối cùng, tôi vô vàn biết ơn đối với gia đình tôi, chính họ đã tạo cho tôi nhiều động

lực và cho tôi những điều kiện tốt nhất để có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 6 năm 2015

Huỳnh Văn Hoàng

Ngày nay, kinh tế tế xã hội phát triển và dân số không ngừng tăng theo dẫn đến nhu

cầu đi lại ngày càng tăng cao Trong khi đó, cơ sở hạ tầng đường xá không đáp ứng kịp

với tốc độ phát triển nên ùn tắc giao thông thường xuyên xảy ra, gây thiệt hại về nền kinh tế và sức khỏe của con người

Rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải quyết bài toán ùn tắc giao thông Tuy nhiên, tăng lưu lượng giao thông dựa trên hệ thống cơ sở hạ tầng có sẵn là phương án khả thi

nhất xét về diện kinh tế Hiện nay, giải pháp cho giao lộ có lưu lượng hai luồng chênh

lệch là thay đổi chu kỳ đèn xanh – đỏ để thích nghi với lưu lượng Tuy nhiên, lưu lượng tại giao lộ luôn thay đổi theo thời gian, địa điểm và các yếu tố ngẫu nhiên Do

đó, phương pháp này chỉ thích ứng cho một thời điểm, địa điểm nhất định không phải

là giải pháp tối ưu

Luận văn này sẽ giới thiệu thuật toán Virtual Traffic Light (đèn giao thông ảo) và thuật toán định tuyến DYMO để cải thiện lưu lượng giao thông Công việc chính là lập trình, cài đặt thuật toán đèn giao thông ảo và xây dựng mô hình mô phỏng trên nền OMNeT++ Sau đó, đèn giao thông truyền thống và đèn giao thông ảo sẽ được so sánh đánh giá

demand for travel increases Meanwhile, traffic infrastructure hasn’t been meeting the need of growing development rate so traffic congestion often occur, affecting the economy and human health

There are many proposed solutions to solve the congestion problem However, increasing traffic flow based on the existing road infrastructure is the most viable solution in terms of economics Currenly, the solution to the traffic intersection has two threaded difference is changing cycle of green-red to accommodate the traffic However, traffic flow is always changing with time, place and random factors Therefore, this method is only adapted for a moment, certain locations is not a optimal solution

This thesis will introduce algorithms Virtual Traffic Light and DYMO routing algorithms to improve traffic flow The main work is program, install the Virtual Traffic Light algorithm and build the simulation model in OMNeT++ After that, the traditional traffic lights and virtual traffic lights will be compared and evaluated

Tôi tên Huỳnh Văn Hoàng, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ Thuật Viễn Thông, Khóa 2013 tại trường Đại Học Bách Khoa TPHCM Tôi xin cam đoan:

- Công trình nghiên cứu này do chính tôi thực hiện

- Các tài liệu và trích dẫn trong luận văn đều được tha khảo từ các nguồn thực tế, uy tín và độ chính xác cao

- Các số liệu và kết quả mô phỏng thực hiện một cách độc lập và hoàn toàn trung

thực

TP.Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 6 năm 2015

Huỳnh Văn Hoàng

MỤC LỤC

M ỤC LỤC i

DANH M ỤC HÌNH ẢNH iv

DANH M ỤC BẢNG BIỂU, LƯU ĐỒ vi

T Ừ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU – THUẬT NGỮ vii

Chương I 1

M Ở ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 M ục tiêu và nhiệm vụ của luận văn 2

1.3 Ph ạm vi đề tài 4

Chương II 5

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Kiến thức chung 5

2.2 Kiến trúc hệ thống Car-to-X 7

2.3 VANET và các ứng dụng đặc thù 9

2.3.1 Các ứng dụng an toàn công cộng 10

2.3.2 Qu ản lý mật độ lưu lượng giao thông 12

2.3.2.1 Giám sát giao thông 13

2.3.2.2 H ỗ trợ ở các giao lộ 13

2.3.3 Ứng dụng giải trí 14

2.4 Kh ảo sát một số công nghệ viễn thông sử dụng trong VANET 15

2.4.1 WLAN-IEEE 802.11 15

2.4.2 WiMAX 16

2.4.3 Bluetooth 17

2.4.4 ZigBee 17

2.4.5 DSRC và 802.11p (WAVE) 18

2.4.6 C ấp phát kênh và tần số 21

2.4.7 M ạng di động (Cellualar Network) 23

2.4.8 Thông tin v ệ tinh 24

2.4.9 H ệ thống dữ liệu vô tuyến và kênh thông tin giao thông 25

Chương III 26

ĐỊNH TUYẾN TRONG MẠNG AD HOC 26

3.1 Giao th ức định tuyến cổ điển 26

3.1.1 Định tuyến dựa trên trạng thái liên kết 26

3.1.2 Định tuyến dựa trên vector khoảng cách 28

3.2 Giao th ức định tuyến trong mạng VANET 30

3.2.1 DYNAMIC SOURCE ROUTING (DSR) 31

3.2.1.1 Định tuyến nguồn 32

3.2.1.2 Khám phá tuy ến (Route Discovery) 33

3.2.3 Giao th ức định tuyến DYMO ( Dynamic MANET On-Demand Routing) 44

3.2.3.1 Khám phá tuy ến (Route Discovery) 45

3.2.3.2 Duy trì tuy ến (Route Maintanance) 46

3.3 Thông s ố đánh giá giao thức mạng AD HOC 47

Chương IV 49

THU ẬT TOÁN ĐÈN GIAO THÔNG ẢO 49

4.1 Thông điệp truyền trong VTL 49

4.2 Chi ti ết thuật toán VTL 50

4.2.1 Nguyên lý ho ạt động đèn giao thông ảo 52

4.2.2 Máy tr ạng thái VTL 55

Chương V 57

MÔ PH ỎNG KẾT QUẢ 57

5.1 Gi ới thiệu chung về OMNeT++ 57

5.1.1 Các thành ph ần chính của OMNeT++ 57

5.1.2 Ứng dụng 58

5.1.3 Mô hình trong OMNeT++ 58

5.1.4 Xây d ựng mô hình mô phỏng trong OMNeT++ 60

5.1.5 Ch ạy các ứng dụng trong OMNeT++ 64

5.2 Công c ụ mô phỏng giao thông đường bộ SUMO 67

5.3 Mô ph ỏng kết hợp hai chiều 68

5.4 Mô hình mô ph ỏng thuật toán đèn giao thông ảo 72

Chương VI 77

HƯỚNG PHÁT TRIỂN 77

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 79

DANH M ỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Mô hình C2C-CC 7

Hình 2.2: Các mô hình phòng tránh va chạm (CCA) 11

Hình 2.3: Minh họa Abiding geocast 12

Hình 2.4: Giải pháp lai cho việc truy cập Internet 15

Hình 2.5: Chuẩn DSRC 20

Hình 2.6: Cấp phát kênh tần số 23

Hình 3.1: Các giao thức định tuyến trong mạng VANET 31

Hình 3.2 Mô hình mạng Ad Hoc gồm 12 nút 35

Hình 3.3 Nút S phát gói tin RREQ đến các nút lân cận A, E, F 36

Hình 3.4 Nút A, F phát gói tin RREQ đến các nút F, B, A, K, G 36

Hình 3.5 Nút B, K, G phát gói tin RREQ đến các nút C, G, H, K 37

Hình 3.6 Nút H, C phát gói tin RREQ đến các nút láng giềng I, D, J 38

Hình 3.7 Nút D phát gói tin RREP về nút S theo đường đã khám phá 39

Hình 3.8 Minh họa cơ chế duy trì thông tin định tuyến 40

Hình 3.9 Các trường trong gói tin RREQ 41

Hình 3.10 Các trường trong gói tin RREP 43

Hình 3.11: Sự khác nhau giữa AODV và DYMO 45

Hình 4.1: Giao lộ với vòng LOA và LONR 50

Hình 4.2: Nguyên lý hoạt động của VTL[8] 52

Hình 4.3: Máy trạng thái VTL 55

Hình 5.1 Các module đơn giản và kết hợp 59

Hình 5.2 Các kết nối 60

Hình 5.3: Lược đồ xây dựng và chạy chương trình mô phỏng OMNeT++ 65

Hình 5.4: Tổng quan của khung mô phỏng được kết hợp 69

Hình 5.5: Sơ đồ các bả tin trao đổi giữa các module của hai bộ mô phỏng 71

Hình 5.6: Bản đồ khu vực giao lộ Nguyễn Thị Minh Khai-Nam Kỳ Khởi Nghĩa 72

Hình 5.7: mô hình thực hiện mô phỏng thuật toán VTL 74

Hình 5.8 Chương trình giải thuật thực hiện trên OMNeT++ 76

Hình 5.9 Kết quả mô phỏng giải thuật VTL và không có VTL 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU, LƯU ĐỒ

Bảng 3.1 Thông tin lưu trữ trong Route Cache tại thời điểm 1 36

Bảng 3.2 Thông tin lưu trữ trong Route Cache tại thời điểm 2 37

Bảng 3.3 Thông tin lưu trữ trong Route Cache tại thời điểm 3 37

Bảng 3.4 Thông tin lưu trữ trong Route Cache tại thời điểm 4 38

Bảng 4.1: Biến môi trường 51

Bảng 4.2: Các điều kiện hoạt động của VTL 52

Bảng 4.3: Mô tả các trạng thái ở giản đồ máy trạng thái VTL 56

Lưu đồ 3.2 Cơ chế xử lý khám phá đường tại node của AODV 42

Lưu đồ 3.1: Cơ chế khám phá tuyến của tại node của DSR 34

Lưu đồ 3.3 Cơ chế xử lý khám phá đường tại node của DYMO 46

T Ừ VIẾT TẮT – KÝ HIỆU – THUẬT NGỮ

T ừ viết tắt Tên đầy đủ T ừ viết tắt Tên đầy đủ

Communications VANET Vehicular Adhoc Networks AU Application Unit

VTL Virtual Traffic Lights OBU OnBoard Unit

C2C-CC Car to Car Communication

Consortium

C2I Car to Infrastructure GSM Global System for Mobile

Communications

GPS Global Positioning System 3G 3-Generation

Avoidance

WIMAX Worldwide Interoperability

for Microwave Access

access with collision avoidance

identification PAN Personal Area Network PER Packet Error Rate

European Telecommunications Standards Institute

Unit

CEPT European Conference of

Postal and Telecommunications

System UDLR UniDirectional Link Routing TMC Traffic Message Channel

LONR Line Of No Return

thị chưa theo kịp tốc độ phát triển, dẫn đến tình trạng ùn tắc giao thông ngày càng ngiêm trọng gây ra nhiều vấn đề bức xúc cho xã hội như lãng phí thời gian, tiền bạc, ô nhiễm môi trường làm mất cảnh quan đô thị và nhiều tệ nạn xã hội Do đó, ùn tắc giao thông gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế và ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống người dân đô thị Với mục tiêu xây dựng và phát triển đất nước văn minh, hiện đại thì việc

giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông là một đề tài cấp thiết và tất yếu

Hiện nay, cải thiện lưu lượng giao thông để giảm ùn tắc là đề tài mang tính thời sự

Rất nhiều giải pháp được đưa ra để tối ưu lưu lượng giao thông tại các giao lộ Trong

đó nổi bật nhất là đều chỉnh chu kỳ đèn đỏ của các đèn giao thông truyền thống để thích nghi với lưu lượng giao thông [1] Phương pháp này dễ thực hiện và có tính kinh

tế cao vì không đòi hỏi phải tác động nhiều đến hệ thống đèn giao thông có sẵn và không tốn kinh phí đầu tư cho việc nghiên cứu triển khai một hệ thống mới Trong bối

cảnh này, đều chỉnh chu kỳ thời gian đèn đỏ và đèn xanh của đèn giao thông truyền

thống tại các giao lộ là giải pháp hiệu quả nhất để tăng dòng lưu lượng xe lưu thông từ hai hướng Những chu kỳ thời gian được cài đặt dựa trên cơ sở dữ liệu về lưu lượng giao thông ở từng thời điể khác nhau trong ngày được thu thập tại giao lộ

Tuy nhiên, vì lưu lượn g giao thông liên tục thay đổi theo thời gian nên chúng ta

phải thay đổi các thông số này liên tục Ngoài ra, việc chúng ta thay đổi thông số này

tại một giao lộ kéo theo sự thay đổi lưu lượng của toàn tuyến Vì vậy, ta phải đều chỉnh

thông số lại tất cả g iao lộ trên cùng tuyến được sao cho hợp lý tránh tình trạng lưu lượng phân bổ không đều trên các đoạn đường ngăn cách bởi các giao lộ Qua đó ta

thấy rằng rất khó để tối ưu lưu lượng giao thông như cách trên, giải pháp này chỉ mang tính thích ứng tại từng thời điểm và địa điểm cụ thể chứ không mang tính chất tối ưu lưu lượng giao thông

Trong những năm gần đây, lĩnh vực thông tin vô tuyến phát triển nhanh chóng

Hiện nay, có một công nghệ vô tuyến đang được phát triển và dự kiến sẽ được ứng

dụng rộng rãi trong tương lai gần để cải thiện tình trạng ùn tắt và giảm thiểu tai nạn giao thông Công nghệ này xây dựng một mạng lưới không dây giữa các xe di động được gọi là Vehicular Ad-Hoc Network (VANET) [2] Trong VANET các xe được trang bị khả năng giao tiếp với nhau và tự tổ chức kết hợp thành một mạng lưới Công nghệ VANET mở ra vô số khả năng hướng tới chia sẻ và khai thác thông tin trong môi trường vô tuyến trên một khu vực địa lý rất linh hoạt

Nhiều ứng dụng và ý tưởng dựa vào công nghệ VANET đã xuất hiện để cải thiện

tắc nghẽn và giảm thiểu tai nạn giao thông Luận văn này sẽ giới thiệu một giao thức được xây dựng cho trong VANET để cải thiện lưu lượng giao thông một cách tự động

và không cần hệ thống đèn xanh đèn đỏ truyền thống Các xe tiếp cận giao lộ sẽ tự dàn

xếp và tổ chức với nhau dựa trên một giao thức Virtual Traffic Light (VTL) để hình thành hệ thống đèn giao thông ảo [2] Hệ thống đèn giao thông ảo này này được tạo ra

trực tuyến và hoạt động như một máy trạng thái Trong mô hình thực tế, giao thức được lập trình và cài đặt sẵn trên thiết bị phần cứng của tất cả các xe trong mạng lưới VANET

1.2 M ục tiêu và nhiệm vụ của luận văn

Dựa trên ý tưởng thay thế các hệ thống trụ đèn báo hiệu tại nút giao thông bằng thuật toán Virtual Traffic Light (VTL) thông qua mạng VANET được tham khảo từ dự

án Distributed Virtual Traffic Light System (tháng 5 năm 2010) của nhóm tác giả Bồ

Đào Nha gồm Alexandre Santos, Hugo Conceição, Hugo Mendes, Nuno Jordão VTL được tạo ra bởi một thuật toán phân phối đòi hỏi sự tham gia của các xe tại các luồng khác nhau tại một giao lộ trong một khu vực được xác định cụ thể Căn cứ vào từng điều kiện giao thông tại giao lộ đó ở từng thời điểm khác nhau, thuật toán VTL sẽ cho

ra các quyết định khác nhau hoặc xe được phép đi qua giao lộ hoặc dừng lại Lưu lượng lưu thông trong mạng VANET có thể được tối ưu hóa tốt hơn do sự dàn xếp thời gian thực và hợp lí của thuật toán VTL tùy theo tình trạng ùn tắc tại khu vực giao lộ

-

Năm 2012 đã có đề tài “ Tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức Virtual Traffic Light thông qua VANET” của tác giả Bành Trường Sơn là học viên Bộ môn kỹ thuật điện tử Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM Đề tài tập trung vào đánh giá khảo sát

nội dung sau:

-

Tiến hành cài đặt và mô phỏng thuật toán VTL trên phần mềm mô phỏng Matlab với lưu lượng xe tại các giao lộ thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên và chu kỳ thời gian tín hiệu đèn xanh đỏ được cài đặt trước

So sánh số lượng xe nghẽn khi sử dụng đèn giao thông truyền thống và đèn giao thông ảo (VTL)

Cài đặt và mô phỏng thuật toán VTL trên phần mềm mô phỏng OMNeT++ kết

hợp với phần mềm SUMO nhằm tạo ra mô hình mang tính thực tế và trực quan

So sánh thời gian trung bình vượt qua giao lộ của xe khi sử dụng đèn giao thông truyền thống và đèn giao thông ảo

Rút ra kết luận,vấn đề tồn tại và hướng phát triển

Trong phạm vi của đề tài, chúng ta giả định rằng các thiết bị trong xe có hỗ trợ

mạng VANET, định vị GPS và giao thức VTL hoạt động ổn định

Khi các đều kiện trên thỏa mãn, luận văn sẽ đi vào khảo sát và đánh giá kịch bản tại giao lộ hai đường giao nhau trong thực tế, cụ thể là giao lộ Nguyễn Thị Minh Khai và Nam Kỳ Khởi Nghĩa

Chương II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mạng thông tin giao thông đang nhận được rất nhiều sự chú ý do hàng loạt các dịch vụ

mà nó có thể cung cấp Rất nhiều công trình và nghiên cứu trên khắp thế giới đang được tiến hành để định nghĩa các tiêu chuẩ n cho khả năng truyền tín hiệu trong giao thông Chương này giới thiệu các nguyên tắc cơ bản và khái niệm của các mạng thông tin giao thông, đặc biệt chú trọng đến các công trình đã và đang thực hiện cũng như kết

quả đạt được cho đến nay của châu Âu C2C-CC Các đặc tính kĩ thuật, kiến trúc và công nghệ đã được đề xuất bởi C2C-CC là cơ sở tài liệu tham khảo cho đề tài này

2.1 Ki ến thức chung

Trong những năm gần đây, có khá nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực Mobile Adhoc Networks (Manet) Phần lớn các nghiên cứu này đã tập trung vào phát triển mạng lưới thông tin với các node mạng với khả năng di chuyển một cách ngẫu nhiên Các node này có thể là thiết bị di động được gắn với người hoặc phương tiện giao thông, với khả năng thiết lập thông tin liên lạc vô tuyến trong một mô hình được phân cấp và tự tổ chức Mỗi node trong mạng, có thể hoạt động như một điểm đầu cuối

hoặc như một điểm chuyển tiếp, cho phép truyền thông multihop và cung cấp việc tạo

ra các mạng tự phát với tùy ý cấu trúc liên kết Bên cạnh các tính năng này, sự ra đời

của công nghệ truyền thông mới dẫn đến khả năng ứng dụng việc thông tin liên lạc không dây trong lĩnh vực giao thông vận tải, cho phép sự hình thành một lớp mới của các mạng không dây, đó là VANET Các mạng này được hình thành một cách tự nhiên

giữa các phương tiện di chuyển hay với các thiết bị cố định với khả năng thông tin vô tuyến

Sự kết hợp của công nghệ không dây tầm ngắn và mạng ad-hoc hình thành khả năng truyền thông C2C và C2I - được biết đến với khái niệm Car-to-X (C2X) Thường được xem như là một yếu tố quan trọng của kiến trúc giao thông thông minh (ITS), VANET cung cấp các giải pháp để cải thiện an toàn đường bộ và cho phép nhiều dịch vụ tiềm năng tích hợp ngay trên phương tiện cung cấp cho người lái xe và hành khách cũng như cho phép khả n ăng thông tin giữa các phương tiện di chuyển Tầm quan trọng và

tiềm năng của VANETs là không cần phải bàn cãi nhiều bởi bằng chứng là sự quan tâm đáng kể đối với lĩnh vực này từ cộng đồng nghiên cứu và ngành công nghiệp ô tô

cũng như từ các cơ quan chính phủ và các tổ chức tiêu chuẩn hóa Trong bối cảnh này, công nghệ “Dedicated Short Range Communications ( DSRC )” được ra đời ở Bắc

Mỹ, nơi mà vào năm 2003, phổ tần 75 MHz đã được sự chấp thuận của Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ ( FCC ) cho việc thông t in liên lạc trong giao thông Mặt khác , lúc này ở châu Âu, C2C -CC đã được khởi xướng bởi các nhà sản xuất xe hơi, các tổ

chức nghiên cứu và một số đối tác với mục tiêu chính là làm tăng an toàn đường bộ và tính hiệu quả trong giao thông Nhiệm vụ của C2C-CC là chuẩn hóa giao diện và giao

thức truyền thông không dây giữa các phương tiện giao thông Có một số dự án nghiên

cứu đã hoàn thành hoặc đang tiếp tục thực hiện sẽ được đề cập ở phần sau; mục đích là

tạo và thiết lập một tiêu chuẩn công nghiệp châu Âu mở rộng cho các hệ thống thông tin liên lạc C2X Ủy ban châu Âu đã cung cấp một băng tần duy nhất toàn châu Âu cho phép truyền tín hiệu nhanh và đáng tin cậy giữa các xe , cũng như giữa xe và các thiết

bị hạ tầng được đặt dọc đường Đó là phổ tần 30 MHz trong băng 5,9 GHz sẽ được

cấp phát cho các ứng dụng mới Nó sẽ tạo điều kiện cho sự phát triển và cung cấp khả năng thử nghiệm an toàn đường bộ liên quan đến các ứng dụng ở châu Âu bằng cách cung cấp một phổ tần chung và lâu dài cho ngành công nghiệp ô tô và các nhà khai thác đường bộ

2.2 Ki ến trúc hệ thống Car-to-X

Các phương tiện giao thông ngày nay là những hệ thống phức tạp với sự trang bị mạng máy tính kiểm soát các chức năng quan trọng nhất Trong những năm qua, hệ thống điều khiển xe ô tô đã chuyển từ tương tự sang kỹ thuật số và mạng thông tin giao thông đang nổi lên với các hình thức trao đổi thông tin In-Car, C2C và C2I, đang nhanh chóng trở thành hiện thực Với kịch bản tương lai, thông tin thời gian thực có thể được cung cấp cho xe qua các mạng không dây không đồng nhất để có được khả năng chuyển hướng thông minh hơn và cải thiện hiệu suất giao thông Trong khi động lực ban đầu cho thông tin giao thông là để thúc đẩy an toàn đường bộ, gần đây ngày càng

rõ ràng công nghệ này sẽ mở ra khả năng điều tiết giao thông và cả cung cấp các ứng

dụng giải trí

Hình 2.1: Mô hình C2C-CC

In-Vehicle Domain liên quan đến mạng lưới nội bộ xe Mỗi chiếc xe được trang bị một thiết bị On-Board Unit (OBU) thực hiện giao tiếp với tài xế hoặc hành khách thông qua thiết bị gọi là Application Unit (AU)

Ad-hoc Domain được hình thành từ một mạng lưới các xe trang bị OBU và node mạng

cố định đặt dọc trên con đường Road-Side Unit (RSUs), OBUs và RSUs hình thành

mạng VANET, cho phép thông tin liên lạc một cách toàn diện và khả năng tự tổ chức

mà không cần đến một đơn vị trung gian Các OBU trực tiếp giao tiếp với nhau nếu tồn

tại kết nối không dây giữa chúng, hoặc thực hiện truyền thông multi-hop thông qua

việc sử dụng một giao thức định tuyến chuyên dụng

Cuối cùng, trong miền cơ sở hạ tầng, các RSU có thể chỉ đơn giản là mở rộng phạm vi vùng phủ VANET bằng cách hoạt động như một thực thể chuyển tiếp, hoặc được gắn vào một mạng hạ tầng, do đó có thể được kết nối với internet Các RSU cho phép các OBU truy cập vào mạng hạ tầng, do đó các AU trên các phương tiện có thể trao đổi thông tin với nhau thông qua internet

•

Hệ thống C2C-CC cơ bản bao gồm các thành phần:

AU (Application Unit): Thiết bị dùng để chạy các ứng dụng sử dụng khả năng

kết nối của OBU AU có thể được tích hợp sẵn trên phương tiện hoặc được gắn trên OBU, và có thể linh động kết nối vào xe bởi tài xế hoặc hành khách Hoặc

nó cũng có thể là các thiết bị như máy tính xách tay hoặc PDA Một OBU cho phép nhiều AU tích hợp vào nó

• OBU (On-Board Unit): thực hiện các giao thức truyền thông và cung cấp dịch

vụ thông tin C2X đến các AU OBU được trang bị ít nhất một thiết bị mạng truyền thông không dây tầm ngắn dựa trên chuẩn IEEE 802.11p, và cũng có thể được trang bị với các thiết bị mạng nhiều hơn từ các công nghệ khác nhau Chức năng chính của nó là kết nối vô tuyến , định tuyến ad-hoc địa lý, điều khiển nghẽn mạng, hỗ trợ IP động

• RSU

…

(Road-Side Unit): là các nút cố định được đặt dọc theo đường giao thông, đường cao tốc, hoặc tại các vị trí chuyên dụng như đèn tín hiệu giao thông, nơi đậu xe hoặc trạm xăng Một RSU có khả năng giao tiếp với nhiều OBU Được trang bị ít nhất một thiết bị truyền thông không dây tầm ngắn dựa trên chuẩn IEEE 802.11p, và cũng có thể được trang bị các công nghệ mạng khác để cho phép truyền thông với một mạng hạ tầng RSU có thể mở rộng phạm vi thông tin liên lạc của miền Ad-hoc, có thể cung cấp kết nối internet hoặc có thể kết nối

với RSU khác trong việc chuyển tiếp thông tin

2.3 VANET và các ứng dụng đặc thù

VANET sẽ không được triển khai thương mại trừ phi có những ứng dụng mang lại lợi ích từ công nghệ này Những nghiên cứu đầu tiên tập trung chủ yếu vào việc gia tăng

an toàn giao thông Với sự giúp đỡ của thông tin giao thông, số vụ tai nạn sẽ giảm và

cuộc sống của con người sẽ được cứu

Do đó, hai loại ứng dụng thu hút sự chú ý nhất trong thời gian vừa qua liên quan đến an toàn cộng đồng, ví dụ, các ứng dụng tránh va chạm giao thông và phối hợp lưu thông,

ở đó phương tiện phối hợp nhau để di chuyển một cách hợp lý Một khối lượng công

việc đáng kể cũng đã được thực hiện trên các ứng dụng có liên quan quản lý giao

thông, có thể giúp giảm bớt tình trạng tắc nghẽn và do đó làm giảm số vụ tai nạn, cũng như giảm thời gian đi lại

Nhiều ứng dụng khác cũng đã được đề xuất liên quan đến các mục đích khác ngoài

việc đảm bảo an toàn giao thông Khá nhiều các ứng dụng này trong số này có thể được phân loại thuộc comfort application Mục tiêu của các ứng dụng này là để cải thiện sự

thoải mái khi đi trên đường cho cả lái xe (ví dụ, thông tin về các nhà hàng bên đườ ng)

và hành khách (ví dụ, truy cập Internet và hệ thống video theo yêu cầu)

2.3.1 Các ứng dụng an toàn công cộng

Các ứng dụng an toàn công cộng định hướng chủ yếu vào việc phòng tránh tai nạn và

dẫn đến hậu quả thiệt hại về người Đặc điểm chính của loại ứng dụng này là dữ liệu

cần được quảng bá nhanh chóng và đáng tin cậy Có hai loại chính của các ứng dụng liên quan đến an toàn công cộng là hợp tác phòng tránh va chạm và thông điệp cảnh báo khẩn cấp

Trong ứng dụng hợp phòng tránh va chạm CCA (cooperative collision avoidance), mục tiêu chính là phòng tránh va chạm, bao gồm cả va chạm dây chuyền trên đường cao tốc

và va chạm do xe đấu đầu trên các con đường nhỏ Các phương tiện lưu thông sẽ tự động dừng lại khi nhận được thông điệp có va chạm hoặc có cảm giác đã xảy ra tai nạn khi các xe đi trước giảm tốc độ đột ngột Rõ ràng các ứng dụng phòng tránh va chạm yêu cầu rất nghiêm ngặt về thời gian thực, cả về độ tin cậy và độ trễ Theo một số nghiên cứu thì một ứng dụng tránh va chạm cần có độ trễ chỉ được tối đa là 100ms

Hình 2.2: Các mô hình phòng tránh va chạm (CCA) (a) Tránh va chạm dây chuyền trên đường cao tốc đa luồng

(b) Tránh và chạm đấu đầu trên các đường nhỏ Trong ứng dụng thông tin cảnh báo khẩn cấp EWM (Emergency warning message), xe

gửi cảnh báo về tai nạn, điều kiện đường xá nguy hiểm cho các xe khác trong hoặc gần khu vực này Hiện tại EWM được chia làm 2 loại:

• Instant EWM: Một thông điệp cảnh báo cần được phổ biến cho tất cả các xe trong một khu vực lân cận Ví dụ khi một xe gặp tai nạn và thắng lại đột ngột, ứng dụng sẽ gửi thông điệp khẩn cấp tức thời cho các xe trong khu vực để thông báo tình trạng Khi một thông điệp được truyền cho các xe khác trong khu vực lân cận (có thể có đường kính vài km), bản tin có thể sẽ bị mất Do đó công nghệ vô tuyến sử dụng ở đay có thể là cả IEEE 802.11 trong mạng adhoc hay

mạng di động Trong trường hợp mạng adhoc, thuật toán broadcast chọn lọc thường được sử dụng để truyền dữ liệu Trong trường hợp mạng di động được

sử dụng, các phương tiện giao thông gửi thông điệp đến base station, sau đó

mạng di động sẽ làm nhiệm vụ broadcast thông điệp này đến tất cả các phương

tiện trong khu vực lân cận Ưu điểm chính của việc sử dụng mạng di động là thông điệp cảnh báo có thể được truyền đi ngay cả khi mật độ xe cộ trong khu

vực thấp, điều này có nghĩa là khoảng cách giữa các phương tiện có thể lớn hơn

so với tầm phát của chuẩn IEEE 802.11 Tuy nhiên nhược điểm của giải pháp này là ở thời điểm hiện tại mạng di động không được thiết kế để xử lý loại thông

điệp trong giao thông và có khả năng bị nghẽn trong thời gian cao điểm của đường cao tốc nhiều luồng

• Abiding EWM: Mục tiêu của ứng dụng Abiding EWM là gửi cảnh báo đến các lái xe khác về tai nạn hoặc điều kiện đường xá nguy hiểm suốt một thời gian dài Thông điệp cần phải được giữ lại trong khu vực và khi một phương tiện đi vào khu vực sẽ lập tức nhận được thông tin này Ứng dụng Abiding EWM sử

dụng phương pháp truyền tin được gọi là abiding geocast sử dụng các tín hiệu giao thông ảo Một thách thức đối với ứng dụng Abiding EWM là phải đạt được

khả năng truyền tin đáng tin cậy trên đường có mật độ xe thấp (ví dụ như vào

ban đêm)

Hình 2.3: Minh họa Abiding geocast

2.3.2 Qu ản lý mật độ lưu lượng giao thông

Ứng dụng quản lý giao thông đường bộ được tập trung vào việc cải thiện lưu lượng giao thông, làm giảm cả hai vấn đề ùn tắc và thời gian di chuyển Sự khác biệt chính

giữa các ứng dụng quản lý giao thông đường bộ và các ứng dụng an toàn công cộng là yêu cầu về thời gian thực Như đã đề cập ở trên, các ứng dụng an toàn công cộng có yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ và thông tin liên lạc đáng tin cậy bởi vì nếu chỉ một thông điệp bị trì hoãn hoặc bị mất, một vụ va chạm nghiêm trọng có thể xảy ra Nhu

cầu thời gian thực trên các ứng dụng quản lý giao thông đường bộ là ít nghiêm ngặt hơn Mục tiêu là cung cấp cho lái xe các thông tin liên quan đến giao thông, hoặc trong các khu vực xung quanh, hoặc tại một địa điểm cụ thể, ví dụ, một giao lộ Do đó, độ trễ

có thể dài hơn và việc mất mát một số dữ liệu có thể được chấp nhận

2.3.2.1 Giám sát giao thông

Chức năng cơ bản của một ứng dụng giám sát giao thông là: Giả sử tất cả các xe đều trang bị một hệ thống định vị hoặc ít nhất là một bản đồ kỹ thuật số với các định dạng chuẩn cho từng đoạn đường Đồng thời, giả định những chiếc xe có cảm biến có thể đo các số liệu có liên quan, ví dụ, tốc độ và nhiệt độ Mỗi chiếc xe thu thập dữ liệu, ví dụ,

tốc độ trên đoạn đường hiện tại của nó, và sau đó, trong những khoảng thời gian đều đặn, truyền dữ liệu này đến tất cả các xe trong một khu vực, có thể có đường kính lên đến vài km Xe khi nhận được dữ liệu giao thông trên đoạn đường hiện tại, lưu trữ dữ

liệu đó trong một bảng, có khả năng sau đó kết hợp với các dữ liệu khác về cùng một đoạn đường Các thông tin được lưu trữ sau đó có thể được sử dụng để hoặc chỉ đơn

giản là thông báo cho lái xe hoặc để cải thiện hiệu suất của hệ thống định vị của xe

2.3.3 Ứng dụng giải trí

Mục tiêu chính của loại ứng dụng này là làm cho chuyến đi thoải mái hơn Lớp ứng

dụng này có thể được chú trọng bởi mong muốn của hành khách là có thể giao tiếp với

xe khác hoặc với các điểm cố định, mạng Internet hoặc mạng điện thoại công cộng

dịch vụ (PSTN) Các ứng dụng giải trí như DVD, âm nhạc, tin tức, sách nói, chương trình có thể được tải lên hệ thống giải trí của xe Ngoài ra, các ứng dụng thông tin du

lịch khác nhau cũng thuộc lớp ứng dụng này Ví dụ, người lái xe có thể nhận được thông tin của địa phương trên hành trình của mình liên quan đến nhà hàng, khách sạn,

trạm dừng… Hầu hết các công việc loại ứng dụng này tập trung vào việc kết nối và truy cập Internet vì Internet là công nghệ quan trọng đối với hầu hết các ứng dụng giải trí

Ngày nay, một số nhà sản xuất ô tô cung cấp luôn khả năng truy cập Internet trong các phương tiện thông qua mạng di động Thông tin liên lạc theo chuẩn IEEE 802.11 cho phép tất cả các hành khách trong xe có thể truy cập Internet, còn truyền hình thì thông qua các nhà cung cấp dịch vụ truyền hình thông thường Vì vậy một giải pháp toàn

diện hơn bao gồm thông tin hành trình cũng như cung cấp các ứng dụng tiện nghi khác

là khả thi thông qua cùng một công nghệ truy cập

Vấn đề chính của giải pháp trên nền IEEE 802.11 là giới hạn về tầm phát sóng Sẽ khá

tốn kém nếu đặt đủ trạm gốc dọc đường đi để cung cấp đủ tầm phủ cho 802.11 Do đó

một giải pháp lai là tốt hơn, sử dụng truyền thông multi-hop đến một trạm gốc gọi là gateway Tuy nhiên, bởi vì giải pháp này đòi hỏi phải chuẩn bị cơ sở hạ tầng mới cũng như các giao thức, tiêu chuẩn mới cho mạng adhoc, do đó tại thời điểm này giải pháp

vẫn chưa thể cạnh tranh được với các mạng di động

Hình 2.4: Giải pháp lai cho việc truy cập Internet

2.4 Kh ảo sát một số công nghệ viễn thông sử dụng trong VANET

Trong thời điểm hiện tại, có khá nhiều công nghệ không dây được sử dụng, đối với

từng ứng dụng (InV, V2V, V2I) sẽ phù hợp với các công nghệ khác nhau

2.4.1 WLAN-IEEE 802.11

Những năm cuối thập niên 1990, những thiết bị sử dụng công nghệ WLAN hay WiFi

xuất hiện Wi-Fi được quy định bởi IEEE trong tiêu chuẩn 802.11 và được duy trì bởi

Ủy ban tiêu chuẩn LAN IEEE/MAN (IEEE 802) WLAN rất giống với 802.3 (chuẩn Ethernet cho mạng cố định) cho đến giao thức lớp liên kết dữ liệu (data link layer) Đặc điểm khác biệt chính giữa hai giao thức trên nằm ở lớp vật lí (physical layer) khi các phương tiện truy cập cố định được thay thế bằng các phương tiện truy cập không dâyTrong những năm qua, một số

tiêu chuẩn lớp vật lý cho WLAN được củng cố để tăng

tốc độ đường truyền và giới thiệu các tính năng bổ sung Các thiết bị chuẩn mới có khả năng tương thích với chuẩn cũ để cho phép các thiết bị mới hơn giao tiếp với các thiết

bị cũ hơn Ban đầu, Wi-Fi không phổ biến khi card giao diện mạng rất đắt và tốc độ

truyền dao động giữa 1 và 2 Mbps Mọi thứ thay đổi đáng kể với sự ra đời của 802.11b qui định lớp vật lý cho tốc độ truyền tải lên đến 11 Mbps

Theo thời gian, thêm hai kỹ thuật lớp vật lý xuất hiện nhằm tăng thêm tốc độ đường truyền Chuẩn 802.11g tăng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 54 Mbps trên giao diện vô tuyến và các tiêu chuẩn 802.11n gần đây có khả năng lên đến 300 Mbps Cần lưu ý tốc

độ này chỉ là lý thuyết và không được đo trên giao diện vô tuyến Tiêu chuẩn 802.11a

là một chuẩn Wi-Fi khác nhưng chưa bao giờ trở nên phổ biến bởi vì nó không sử dụng cùng băng tần số với các tiêu chuẩn 802.11 biến thể khác

2.4.2 WiMAX

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) là một công nghệ vô tuyến cố gắng thu hẹp khoảng cách giữa chuẩn 3G và WLAN WiMAX là bước đầu tiên thực hiện để xây dựng mạng MAN (Metropolitan Area Network) không dây Có hai chuẩn WiMAX chính là 802.16d, 802.16e Chuẩn 802.16d được sử dụng cho các

trạm cố định Đây là giải pháp hoàn hảo cho việc kết nối các tòa nhà của công ty với chi phí thấp Đặc điểm kĩ thuật 802.16d cho phép vùng phủ lên đến 48 km và tốc độ truyền lên đến 70 Mbps Trong khi đó, chuẩn 802.16e được thiết kế đặc biệt cho các người dùng di động kết nối vào trạm cở sở (base station)

Kĩ thuật điều chế OFDM được sử dụng để phục vụ nhiều người dùng và có khả năng đương đầu với nhiễu, đa đường, trễ, di động Vì vậy, 802.16e là chuẩn WiMAX thích

hợp nhất cho lĩnh vực về ô tô Tốc độ lên đến hàng chục Mbps, vận tốc lên đến 100 km/h và các trạm gốc có vùng phủ lên đến 10 km, 802.16e là lựa chọn tốt cho các mô hình thành thị nơi xe được kết nối với tốc độ dữ liệu cao bằng triển khai WiMAX Công nghệ này đã được phân tích hiệu suất trong môi trường di động và kết quả cho

thấy tốc độ trung bình là 2 Mbps và 5.3 Mbps có thể thu được trong các tình huống

thực tế (tốc độ xe lên tới 90 km/h), với một RTT (round trip time) trung bình 100 ms

2.4.3 Bluetooth

Mục đích của công nghệ Bluetooth cho phép thông tin không dây tầm ngắn giữa các thiết bị số Phát triển ban đầu bởi Ericsson, Bluetooth trải qua sự tiến hóa các đặc tính duy trì và phát triển bởi Special Lobby Special Interest Group (SIG) và được tiêu chuẩn hóa bởi IEEE thành chuẩn IEEE 802.15.1 Ý tưởng Bluetooth là tạo một mạch tích hợp lớn được triển khai trên các loại thiết bị khác nhau với mức tiêu thụ năng lượng rất ít và chi phí rất thấp

2.4.4 ZigBee

Bluetooth có thể tạo ra một mạng cá nhân (personal area network - PAN) cho một số thiết bị có thể kết nối được với nhau Nó hoạt động trong băng tần 2.4 GHz và do tính năng tiêu thụ điện năng thấp nên Bluetooth cho phép thông tin liên lạc trong một phạm

vi hàng chục mét Thiết bị đầu cuối Bluetooth được nhóm lại trong những piconet và

những piconets này cũng có thể được nối với nhau bằng phương tiện scatternet

Các tính chất của Bluetooth hoàn hảo cho mạng invehicle (InV) Một số nhà nghiên

cứu cũng ủng hộ việc sử dụng Bluetooth để ứng dụng vào V2V Tuy nhiên, công nghệ này bị giới hạn bởi thời gian cần thiết để hình thành piconet và scatternet và phạm vi

của thông tin liên lạc bị hạn chế

Mạng cảm biến không dây (wireless sensor network) cung cấp tốc độ dữ liệu thấp nhưng có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng nhúng và thông tin vô tuyến giữa các

bộ phận trong nội bộ xe ô tô ZigBee là tập hợp các quy tắc được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.15.4, chi phí thấp , công suất thấp, mạng không dây kết nối tiêu chuẩn Nó hoạt động trên 3 băng tần ISM: 868 MHz ở châu Âu, 915 MHz ở các nước như Mỹ và Úc, và 2.4 GHz (16 kênh) trong hầu hết các nước trên toàn thế giới

Điều chế

sử dụng mã hóa trải phổ chuỗi trực tiếp, tốc độ dữ liệu là 250 Kbps cho mỗi kênh trong dải 2.4 GHz (40 Kbps trong băng 915 MHz và 20 Kbps ở băng tần 868

MHz) Truyền trong phạm vi từ 10 đến 75 mét, mặc dù nó phụ thuộc nhiều vào môi trường cụ thể Công suất đầu ra tối đa trong các radio thường là 0 dBm (1 mW) CSMA/CA là chế độ truy cập kênh, ngoại trừ ba trường hợp (beacon, xác nhận, thông điệp của beacon định hướng thiết bị mạng)

ZigBee cung cấp tốc độ mạng lên đến 250 Kbps, nó được dự kiến sẽ được sử dụng

rộng rãi như là một mạng lưới cảm biến cho mục đích giám sát và điều khiển (điều hòa không khí, hệ thống sưởi, thông gió, điều khiển ánh sáng, )

Nhìn chung, các thí nghiệm và kết quả đo cho thấy ZigBee là một công nghệ khả thi và đầy hứa hẹn cho việc thực hiện mạng cảm biến không dây Tuy nhiên, thông tin liên

lạc giữa các nút cảm biến và một trạm cơ sở trong xe phụ thuộc vào nhiều yếu tố,

chẳng hạn như tổn thất điện năng và băng thông, và thời gian gắn kết “coherent” của các kênh truyền thông cơ bản giữa các nút cảm biến và trạm cơ sở

2.4.5 DSRC và 802.11p (WAVE)

DSRC (Dedicated Short Range Communications) là dịch vụ thông tin trong phạm vi

ngắn đến trung bình hoạt động ở tần số 5.9 GHz hỗ trợ cả nhu cầu hoạt động an toàn và thông tin riêng tư trong môi trường thông tin V2V và V2I DSRC bổ sung cho thông tin di động bằng cách cung cấp tốc độ truyền dữ liệu rất cao khi độ trễ thấp và khả năng thông tin trong vùng bị cô lập DSRC được thiết kế để hỗ trợ một loạt các ứng

dụng, trong đó chỉ có một tập hợp nhỏ hiện đang được ứng dụng vào thực tiễn Mục đích chính của DSRC là hỗ trợ thông tin liên lạc I2V và V2V trong phạm vi rộng

Nguồn gốc của DSRC xuất phát từ Mỹ vào năm 2003 khi Hội đồng thông tin liên bang (Federal Communications Commission – FCC) thông qua các báo cáo và quy định để cung cấp giấy phép và các luật dịch vụ cho DSRC trong lĩnh vực hệ thống giao thông thông minh Chuẩn DSRC được phép sử dụng miễn phí trong khoảng băng tần 5.8505.925 GHz được sử dụng chủ yếu cho mục đích an toàn giao thông ngoài ra còn cho các ứng dụng giao thông và thương mại khác

Ban đầu DSRC được phát minh với mục đích dành cho công nghệ RFID K ĩ thuật Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) được xem là tốt nhất ở thời điểm đó khi cho phép sóng mang con trực giao cận kề nhau để truyền tải nhiều dữ liệu song song Hệ thống Wireless LAN theo tiêu chuẩn IEEE 802.11a dựa trên chipset

5141 Atheros và OFDM Vì các tần số hoạt động tương tự 802.11a và DSRC được cấp

bởi FCC, các chipset cho DSRC đã được thương mại hóa nên DSRC rất hấp dẫn trong các thảo luận vào thời điểm đó

Đối với các ứng dụng giao thông có tính di động cao, vấn đề thời gian (tính bằng giây)

cần được giải quyết với các chipset được thiết kế cho mạng LAN không dây văn phòng Bản chất của các chức năng quét kênh và cơ chế bảo mật trong thiết bị IEEE 802.11a đòi hỏi độ trễ làm cho các tiêu chuẩn hiện hành như giao thức association không phù hợp để sử dụng với các ứng dụng yêu cầu an toàn khi xe di chuyển ở tốc độ cao để nhanh chóng trao đổi thông tin với một xe khác hoặc RSU (Road side unit) trong phạm vi phủ sóng Do đó cần có sự thay đổi ở cả cấp độ kênh truyền và cấp độ

mà các quyết định được thực hiện để chấp nhận các thông điệp và định tuyến đến đích

để giải quyết vấn đề này Kết quả là xuất hiện ba bộ các tiêu chuẩn và ý tưởng phát triển các ứng dụng liên quan Đầu tiên, sửa đổi về tiêu chuẩn mạng LAN không dây IEEE 802.11 để định nghĩa phổ và băng tần DSRC cho phép kết nối nhanh chóng bao

gồm lớp vật lý IEEE 802.11p.Những thay đổi ở lớp IEEE 802.11 yêu cầu cung cấp các

dịch vụ bảo mật mới, lựa chọn kênh ở một lớp cao hơn đặc biệt là các kênh kiểm soát

và dịch vụ Các kênh này được kích hoạt thêm vào các dịch vụ mạng khác trong tiêu chuẩn IEEE 1609 cho truy cập không dây trong môi trường giao thông vận tải (

- Quản lí tài nguyên (IEEE 1609.1)

Wireless Access in Vehicular Environments - WAVE) gồm có:

- An toàn dịch vụ và kiểm soát (IEEE 1609.2)

- Dịch vụ mạng (IEEE 1609.3)

- Hoạt động đa kênh truyền (IEEE 1609.4)

Hình 2.5: Chuẩn DSRC

Chuẩn IEEE

Với những chuẩn này, các xe có thể liên lạc trực tiếp trên một kênh chung trong băng

tần DSRC cho các ứng dụng an toàn, trong khi những kênh sẵn có khác dành cho các thông tin liên lạc ít khẩn cấp hơn Lớp trên cùng là lớp ứng dụng (application layer)

802.11p (cũng được gọi là WAVE) là chuẩn nâng cao của IEEE 802.11

để hỗ trợ các ứng dụng hệ thống giao thông thông minh (ITS) bao gồm trao đổi dữ liệu

giữa các xe tốc độ cao, giữa các phương tiện và cơ sở hạ tầng lắp dọc đường ở băng tần được cấp phép là 5.9 GHz Các thông tin liên lạc cung cấp bởi WAVE thường được trao đổi trên khoảng cách lên đến 1000m giữa các RSU và các xe tốc độ cao nhưng đôi khi dừng lại hay di chuyển chậm WAVE bao gồm nhiều loại ứng dụng mới liên quan đến an toàn đường bộ (ví dụ như tránh va chạm xe) và các dịch vụ khẩn cấp (ví dụ như

những dịch vụ được cung cấp bởi cảnh sát, xe cứu thương và xe cứu hộ) đòi hỏi thông tin liên lạc với độ tin cậy cao và độ trễ cực thấp Một số ứng dụng quan trọng yêu cầu

tổng thời gian từ lúc phát hiện tín hiệu đến khi hoàn thành trao đổi nhiều khung dữ liệu

phải được hoàn tất trong vòng 100 ms Về mặt này, WAVE tăng thêm khả năng để đơn

giản hóa các hoạt động và quản lý liên quan để hỗ trợ truy cập nhanh

Hoạt động của WAVE sử dụng một kênh kiểm soát và nhiều kênh dịch vụ Truy cập ưu tiên trong hoạt động của WAVE sử dụng cơ chế EDCA1 Phần mở rộng của PHY cho WAVE xây dựng trên hệ thống OFDM Hệ thống tần số vô tuyến WAVE chiếm băng

tần vô tuyến dịch vụ ITS được cấp phép, theo các quy định liên bang tại Mỹ Các vùng

và các quốc gia khác có thể phân bổ các băng tần khác trong phạm vi 5.6 GHz Hệ

thống OFDM cung cấp cho WAVE khả năng giao tiếp tải dữ liệu tốc độ 3, 4.5, 6, 9, 12,

18, 24 và 27 Mbps trong các kênh 10 MHz Sự hỗ trợ truyền và nhận ở tốc độ dữ liệu Mbps 3, 6 và 12 là bắt buộc WAVE có thể tùy chọn hoạt động trên các kênh 20 MHz

Nếu sử dụng các kênh tùy chọn 20 MHz, khả năng tải trọng dữ liệu 6, 9, 12, 18, 24, 36,

48 và 54 Mbps có thể được hỗ trợ Sự hỗ trợ truyền và nhận ở tốc độ dữ liệu 6, 12 và

24 Mbps là bắt buộc đối với cấu hình tùy chọn 20 MHz

Trong bối cảnh của tiêu chuẩn này, WAVE đề cập đến việc hoạt động trong băng tần ITS và không hoạt động trong các băng tần khác WAVE hỗ trợ khả năng truyền thông tin giữa các RSU (road side unit) và các xe di chuyển ở tốc độ lên đến 140 km/h với tỷ

lệ lỗi gói (PER) ít hơn 10% cho PSDU có chiều dài là 1000 byte và giữa RSU và cá xe

có tốc độ tối thiểu là 200 km/h với PER ít hơn 10% cho PSDU có chiều dài 64 byte Đối với thông tin liên lạc giữa các xe với nhau phải có khả năng chuyển thông điệp ở

tốc độ gần lên đến mức tối thiểu là 283 km/h với PER ít hơn 10% cho PSDU có chiều dài 200 byte Đa đường và các hiệu ứng do di động được đề cấp đến Các tiêu chuẩn này đảm bảo cho các hoạt động đường bộ và tính an toàn cao nên dành được sự quan tâm của ngành công nghiệp ô tô

an toàn ITS nên cần được bảo vệ chống lại sự can nhiễu từ các dịch vụ và băng tần khác Các băng tần MHz 5855 đến 5875 đã được yêu cầu cho ITS không có tính an toàn vì có thể hoạt động trên cơ sở không được bảo vệ khỏi nhiễu Ưu và nhược điểm

của các phương pháp tiếp cận này đã được phân tích dựa trên các bộ tiêu chuẩn đánh giá Các tiêu chí này được tóm tắt

Car-to-Car Communication (C2C-C) Consortium là hiệp hội công nghiệp được thành

lập bởi các nhà sản xuất xe châu Âu năm 2002 Năm 2008, C2C-C Consortium đã có

50 thành viên từ lĩnh vực công nghiệp sản xuất và nghiên cứu Mục tiêu chính là tạo ra

một chuẩn công nghiệp mở cho thông tin liên lạc CAR-2-X dựa trên công nghệ WLAN

nhằm đạt được sự tương thích để tạo ra chuẩn chung trên toàn cầu và vạch ra kế hoạch triển khai Hiệp hội tập trung chủ yếu vào an toàn giao thông đường bộ và các ứng

như sau:

- Ti ện lợi: yêu cầu chính cho vấn đề an toàn thông tin liên lạc của C2C và C2I là trễ

thấp và độ tin cậy cao cho các thông điệp bắt buộc phải an toàn

- K ết nối tốt: có thể đánh giá 2 khía cạnh lỗi bit (lỗi bit phải thấp nhất có thể) và nhiễu

(công suất tín hiệu phải lớn hơn nhiễu)

- Kinh t ế: tiêu chí này xem xét đến giá thành của v ật liệu cho sản xuất và triển khai

Rõ ràng, giá thành thấp thì tốt hơn để giảm rào cản thị trường

- Hi ệu quả: tiêu chí này đánh giá tính hiệu quả của việc phân phát kênh mà cụ thể là

việc sử dụng băng thông

- Kh ả năng mở rộng: tiêu chí này đánh giá ảnh hưởng của việc gán kênh trên toàn bộ

hệ thống thông tin C2C và C2I trong các trường hợp khác nhau như đường cao tốc, thành phố hay khu vực đồng quê

- Hướng phát triển: tiêu chí này xem xét chi phí cho việc phát triển ngoài chi phí vật

liệu Giải pháp cho việc cấp phát kênh cho phép thiết kế và thực thi đơn giản hệ thống thông tin là thích hợp nhất

dụng tăng hiệu quả giao thông C2C-C Consortium là tạo chuẩn mở cho các nhà sản

xuất xe, nhà cung cấp, các nhóm nghiên cứu và các thành viên khác C2C -C Consortium đã đưa ra kịch bản sử dụng kênh một cách cơ bản Trước tiên, các chipset WLAN hiện nay chỉ hỗ trợ kênh 10 và 20 MHz Cho nên, kênh 30 MHz đòi hỏi thiết bị

mới dẫn đến chi phí đầu tư cao Với lí do này, kênh 30 MHz coi như không khả thi

Thứ hai, nghiên cứu cho thấy sử dụng 2 kênh liền kề dẫn đến rớt gói nên không thể

chấp nhận được với các ứng dụng ITS an toàn Mặc dù nghiên cứu chỉ khảo sát trên các kênh 10 MHz nhưng khả năng tương tự chắc chắn xảy ra với các kênh 10 MHz và

20 MHz Do đó, không thể chia băng tần cấp phát ra các kênh 10 và 20 MHz Hơn nữa,

vì nghiên cứu chỉ ra rằng các kênh 20 MHz dễ bị lỗi bit hơn các kênh 10 MHz nên việc

sử dụng các kênh 20 MHz coi như không khả thi Mặc dù vậy việc sử dụng các kênh kế

cận vẫn có thể, các kĩ thuật hiện nay như chuyển mạch kênh WAVE (WAVE channel switching) có thể ngăn việc phát đồng thời trên các kênh này Tuy nhiễu vẫn xảy ra trên các kênh không liền kề nhưng nó vẫn thấp hơn so với các kênh liền kề Tuy nhiên,

rớt gói gây ra bởi nhiễu các kênh kế cận có thể được phục hồi bằng các cơ chế ở lớp network hoặc sự hỗ trợ của các ứng dụng Từ những nguyên nhân được nêu ở trên và

tập hợp các tiêu chuẩn đánh giá việc cấp phát kênh như hình trên là tối ưu khi có ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh

Hình 2.6: Cấp phát kênh tần số

2.4.7 M ạng di động (Cellualar Network)

Bắt đầu từ các công nghệ tương tự như AMPS của Mỹ hoặc mạng di động TACS2 châu Âu đã dần dần được cải thiện với mục đích triển khai trên toàn thế giới và chất lượng dịch vụ cung cấp Sau đó thông tin số được áp dụng vào mạng di động, công

nghệ GSM (hệ thống di động toàn cầu) đạt được mục đích phổ biến điện thoại di động trong dân cư Việc được áp dụng rộng rãi ở châu Âu đã dẫn đến việc mở rộng GSM cho các thị trường tiềm năng khác Công nghệ GSM là thế hệ thứ hai (2G) của mạng di động thay thế thế hệ thứ nhất dựa trên các công nghệ tương tự Mặc dù mối quan tâm chính của các mạng di động cho đến một vài năm trước đây được tập trung vào mục đích điện thoại là chính, kết nối dữ liệu đang trở nên nhiều hơn trong những năm gần đây Sự ra đời của các mạng di động trong lĩnh vực giao thông vận tải có cách đây vài năm khi kết nối dữ liệu GSM hoặc GPRS bắt đầu được sử dụng trong hệ thống theo dõi

và giám sát Sự xuất hiện của GPRS cũng có thể được thực hiện việc sử dụng các mạng

di động để cung cấp thông tin giao thông hoặc cảnh báo khẩn cấp Tuy nhiên trước khi

có sự xuất hiện của công nghệ 3G, tốc độ dữ liệu thấp đã ngăn cản sự phổ biến của

mạng di động trong ITS Những ưu điểm của UMTS trong môi trường di động đã hỗ

trợ cho thông tin liên lạc V2V Việc sử dụng cơ sở hạ tầng của nhà mạng UMTS cho

việc thông tin hai chiều chỉ là lí thuyết như các hệ thống giám sát nhưng ứng dụng của

nó cho V2V vẫn là một thách thức do các vấn đề trễ vốn có Một nhược điểm nữa của

việc sử dụng kết nối dữ liệu với mạng điện thoại di động là thêm phí phải được trả cho

việc sử dụng cơ sở hạ tầng của nhà mạng khai thác Một số người nghĩ rằng vẫn cần

một công nghệ thông tin liên lạc phổ biến cho phạm vi ITS nên mạng di động vẫn có

thể là giải pháp tốt

2.4.8 Thông tin v ệ tinh

Thông tin vệ tinh bao gồm ba thành phần chính: trạm phát, hệ thống vệ tinh và các thiết

bị thu Trước hết, dữ liệu được truyền đi từ trạm phát đến vệ tinh Sau đó, vệ tinh sẽ chuyển tiếp thông tin đến các thiết bị nhận Thông tin vệ tinh cung cấp vùng phủ rất

rộng và khả năng broadcast cực tốt nên là phương án thích hợp để cung cấp kết nối tại các vùng xa xôi hẻo lánh như hải đảo, vùng núi Dữ liệu có thể đ ược gửi từ một trạm phát đến nhiều trạm thu cùng một lúc và sử dụng tần số giống nhau Vì vậy, thông tin

vệ tinh rất hợp lí cho broacast đa phương tiện như truyền hình trực tiếp Mặc dù các

trạm phát và các thiết bị thu thường được cài đặt ở một nơi cố định, nhưng gần đây các

trạm thu hoặc phát có thể di động và được trang bị trên xe Loại kiến trúc này khả thi đối với hệ thống đơn hướng cung cấp dịch vụ I2V Tuy nhiên hiện tượng trễ do lan truyền trên cự li rất xa đến và từ vệ tinh cần được quan tâm Băng thông đạt được ở các

trạm di động thường từ 300 đến 500 kbps Trạm phát thường quá lớn để có thể trang bị trong xe nên đòi hỏi định hướng chính xác đến vệ tinh đang sử dụng UniDirectional Link Routing (UDLR) chuẩn hóa kết nối vệ tinh đơn hướng để cạnh tranh với thông tin song hướng, trong đó các trạm di động nhận dữ liệu sử dụng kênh vệ tinh và truyền dữ

liệu sử dụng các công nghệ truy cập khác

2.4.9 H ệ thống dữ liệu vô tuyến và kênh thông tin giao thông

Hệ thống thông tin radio (Radio Data System - RDS) được phát triển để truyền tải thông tin sử dụng băng tần chung FM Hệ thống này cho phép kết hợp rất nhiều loại thông tin trong âm thanh phát ra như tin tức, âm nhạc,… và cả tình hình giao thông RDS cung cấp tốc độ dữ liệu khoảng 1187.5 bps và khoảng cách truyền sóng FM có

thể lên đến 80 km Phiên bản RDS được triển khai tại Mỹ gọi là RBDS (Radio Broadcast Data System) cách hoạt động tương tự RDS, tuy nhiên RBDS không thông

dụng bằng RDS Giải pháp thích hợp hơn cho việc truyền thông tin giao thông là hệ

thống TMC (Traffic Message Channel) Với hệ thống này, thông tin về vấn đề giao thông được broadcast một cách số hóa, do đó các thiết bị định vị thích hợp có thể cảnh báo lái xe và tính toán lại tuyến đường thay thế ngay lập tức Các bản tin cảnh báo của TMC bao gồm các nhận dạng (identifier) về tình trạng giao thông và khu vực liên quan TMC thường được truyền qua RDS nên đó là lí do tạ i sao hai công nghệ này thường được sử dụng cùng nhau