Tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức virtua traffic light thông qua vanet

Tại các giao lộ, đèn giao thông truyền thống là một phần nguyên nhân gây ùn tắc vì nó cản trở sự lưu thông liên tục của các dòng lưu lượng và không tối ưu được lưu lượng khi hai luồng t

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts Đỗ Hồng Tuấn

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Bành Trường Sơn MSHV: 11140053

Ngày, tháng, năm sinh: 15/02/1987 Nơi sinh: Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: Tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên thuật toán Virtual Traffic Light

thông qua VANET

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/07/2012

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2012

cho chúng em cách tư duy và làm việc một cách khoa học, hướng chúng em đến các đề tài khoa học mới mẽ, tiếp cận với các công nghệ hiện đại

Chúng em xin chân thành cám ơn các thầy cô ngành Kĩ thuật điện tử đã hết lòng dạy

dỗ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quí báu

Chúng con xin gửi đến ba mẹ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất Cha mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ chúng con nên người và là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con trong cuộc đời này

Chúng tôi xin cảm ơn các bạn đã cùng học tập, giúp đỡ, động viên và cùng chúng tôi bước trên con đường học tập nghiên cứu này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 12 năm 2012

Học viên

Bành Trường Sơn

thông lại không đáp ứng kịp tốc độ phát triển nên tắc nghẽn giao thông xảy ra Ùn tắc xảy ra thường xuyên, kéo dài nan giải đã gây thiệt hại về kinh tế và ảnh hưởng đến sức

khỏe con người Tại các giao lộ, đèn giao thông truyền thống là một phần nguyên nhân

gây ùn tắc vì nó cản trở sự lưu thông liên tục của các dòng lưu lượng và không tối ưu được lưu lượng khi hai luồng tại giao lộ có lưu lượng chênh lệch nhau

Rất nhiều giải pháp được đưa ra để giải bài toán tắc nghẽn giao thông Tuy nhiên, tăng lưu lượng lưu thông dựa trên hệ thống cơ sở hạ tầng đường xá sẵn có là phương án khả thi nhất xét về phương diện kinh tế Hiện nay, giải pháp cho giao lộ có lưu lượng hai luồng chênh lệch là thay đổi chu kì xanh đỏ để thích nghi với lưu lượng Tuy nhiên, lưu lượng luôn thay đổi theo thời gian, địa điểm hoặc các yếu tố ngẫu nhiên Do đó, giải pháp này chỉ mang tính thích ứng theo thời gian, địa điểm cụ thể nên không là giải pháp tối ưu

Luận văn sẽ giới thiệu một giao thức mới dựa trên thuật toán Virtual Traffic Light (đèn giao thông ảo) thông qua VANET để tối ưu lưu lượng giao thông Giao thức này sẽ thay hệ thống đèn giao thông truyền thống Công việc chính là lập trình, cài đặt thuật toán VTL và xây dựng các mô hình mô phỏng trên Matlab Sau đó, đèn giao thông truyền thống và đèn giao thông ảo sẽ được so sánh và đánh giá Cuối cùng, các giải pháp khắc phục hạn chế được đưa ra nhằm tăng tính tối ưu cho thuật toán VTL Mục đích là chứng minh đèn giao thông ảo hiệu quả hơn và có thể thay thế được đèn giao thông truyền thống Luận văn bao gồm các chương:

hasn’t been meeting the need of growing development rate so traffic congestion obviuosly occurs Economics and human health are affected by traffic jam At the intersection, the traditional traffic light is one of congestion causes because it stops the continuity of the traffic flow It is not optimal solution when the two traffic flows at intersection are very unequal

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 Currently, the solution for the intersection with two difference traffic flow is to change red-green cycle time to accommodate the traffic flow But the traffic flow always changes in terms of time, location and random factors Therefore, this solution should not be the optimal solution

This thesis will introduce a new protocol based on the Virtual Traffic Light (VTL) algorithm through VANET to optimize traffic flow This protocol will replace the traditional traffic light systems The main work is to program, install the VTL algorithm and build the simulation model in Matlab After that, the traditional traffic lights and virtual traffic lights will be compared and evaluated Moreover, the solutions are proposed to overcome some limitations and increase the optimization for VTL algorithm The goal is to prove that the virtual traffic lights are more effective than traditional traffic light and the virtual traffic lights can replace the traditional traffic light in the future This thesis consists of:

- Công trình nghiên cứu này do chính tôi thực hiện

- Các số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác hay trên bất kỳ phương tiện truyền thông nào

- Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm

ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong Luận văn tốt nghiệp của mình

Học viên

Bành Trường Sơn

1.1 Tổng quan và động lực đề tài……….…1

1.2 Phát biểu bài toán……… 3

1.2.1 Tổng quát……… ……… 3

1.2.2 Chi tiết công việc………4

1.3 Phạm vi đề tài……….………5

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp 2.1 Lí thuyết cơ sở………6

2.1.1 Mobile Ad-hoc NETwork (MANET)……… ……… 6

2.1.2 Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET)……… 7

2.1.3 So sánh MANET và VANET……… 9

2.1.4 Các yêu cầu về mạng trong các ứng dụng VANET……… 10

2.1.4.1 Tính di động……… 11

2.1.4.2 Kết nối ổn định……… 11

2.1.4.3 Nhận biết vị trí……… 11

2.1.4.4 Thời gian thực………12

2.1.4.5 Tỉ lệ trang bị thiết bị……… 12

2.1.4.6 Chức năng Geocast……… 13

2.1.5 Mô hình thông tin trong VANET……… 14

2.1.6 Các kĩ thuật thông tin vô tuyến trong VANET……….15

2.1.6.1 WLAN - IEEE 802.11……….……… 16

2.1.6.4 ZigBee……… 19

2.1.6.5 DSRC và 802.11p……… 19

2.1.6.6 Cấp phát kênh tần số……….….22

2.1.6.7 Mạng thông tin di động……… 24

2.1.6.8 Hệ thống thông tin radio và kênh thông tin giao thông……… 25

2.1.6.9 Vệ tinh………25

2.1.7 Tổng quan hệ thống viễn thông trong VANET……… 26

2.1.8 Tầm quan trọng của giao thức Geocast trong VANET……….27

2.2 Giải pháp……….…….29

2.3 Kiến trúc hệ thống VANET ứng dụng thuật toán VTL……… 29

2.3.1 Bản đồ số……….…… 30

2.3.2 Module định vị (Car Navigation Module - CNM)……… 31

2.3.3 Màn hình hiển thị CNM……….… 32

2.3.4 Các đặc điểm kĩ thuật trong thiết kế thuật toán……… … 32

2.4 Thuật toán đèn giao thông ảo VTL……….….33

2.4.1 Chi tiết thuật toán VTL……….…34

2.4.2 Máy trạng thái VTL……… ….38

2.4.3 Thuật toán VTL cải tiến……….……… 39

2.4.3.1 Dựa vào thông tin lưu lượng……… ……… 39

2.4.3.2 Dựa vào điều chỉnh chu kì xanh đỏ thích nghi…… ……….……… 40

3.1 Mô tả độ đo định lượng để kiểm chứng……… 41

3.2 Kết quả sơ bộ cho từng bài toán và nhận xét đánh giá……….42

3.2.1 Giao lộ 2 đường giao nhau là 1 chiều……… 42

3.2.2 Giao lộ 2 đường giao nhau là 2 chiều.……… ….51

3.2.3 Ba giao lộ đường một chiều liền kề……… ……….62

3.2.4 Ba giao lộ đường một chiều liền kề áp dụng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL dựa vào thông tin giao thông……… …… 77

3.2.5 Giao lộ 2 đường giao nhau 1 chiều, giao lộ 2 đường giao nhau 2 chiều áp dụng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL dựa vào điều chỉnh chu kì xanh đỏ……… 83

Chương 4: Hướng phát triển……….… 89

Chương 5: Kết luận……… 91

Chương 6: Tài liệu tham khảo………94

Hình 2.2: Mô hình thông tin VANET

Hình 2.3: Các kĩ thuật thông tin vô tuyến trong VANET

Hình 2.4: Bluetooth Scatternet

Hình 2.5: Chuẩn DSRC

Hình 2.6: Cấp phát kênh tần số

Hình 2.7: Mô hình thông tin CAR-2-X

Hình 2.8: Mô hình truyền tin Geocast

Hình 2.9: Màn hình hiển thị trên xe chủ màu cam

Hình 2.10: Giao lộ với vòng LOA và LONR [3]

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động của đèn giao thông ảo (VTL) [2]

Hình 2.12: Máy trạng thái VTL

Hình 3.1: Phân bố Poisson với giá trị trung bình (mean) khác nhau

Hình 3.2: Mô hình đèn giao thông truyền thống và ảo giao lộ 2 đường 1 chiều Hình 3.3: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y

Hình 3.4: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y ở mật độ xác suất cao Hình 3.5: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất thấp Hình 3.6: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất trung bình Hình 3.7: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất cao

Hình 3.8: Giao lộ đường giao nhau 2 chiều

Hình 3.11: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX bằng Y-YY ở mật độ xác suất trung bình Hình 3.12: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX bằng Y-YY ở mật độ xác suất cao

Hình 3.13: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY (X>>XX)

Hình 3.14: Ba giao lộ đường một chiều liền kề

Hình 3.15: Kết quả lưu lượng luồng A cao hơn luồng B (A>>B)

Hình 3.16: Kết quả lưu lượng luồng C bằng luồng D ở mật độ xác suất thấp (A>>B) Hình 3.17: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B)

Hình 3.18: Lưu lượng luồng A gần bằng luồng B (A≈B)

Hình 3.19: Lưu lượng luồng C bằng luồng D ở mật độ xác suất thấp (A≈B)

Hình 3.20: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A≈B)

Hình 3.21: Kết quả lưu lượng luồng A bằng luồng B ở mật độ xác suất trung bình Hình 3.22: Kết quả lưu lượng luồng C bằng luồng D ở mật độ xác suất trung bình Hình 3.23: Kết quả lưu lượng giao lộ luồng X và Y khi luồng A=B, luồng C=D ở mật

độ xác suất trung bình

Hình 3.24: Kết quả lưu lượng luồng A bằng luồng B mật độ xác suất cao

Hình 3.25: Kết quả lưu lượng luồng C bằng luồng D mật độ xác suất cao

Hình 3.26: Kết quả lưu lượng tại giao lộ luồng X và Y khi luồng A=B, luồng C=D ở mật độ xác suất cao

Hình 3.27: Ba giao lộ đường một chiều liền kề áp dụng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL dựa vào thông tin giao thông

Hình 3.28: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B) + giải pháp dựa vào thông tin giao thông

mật độ xác suất cao + giải pháp dựa vào thông tin giao thông

Hình 3.31: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y + giải pháp dựa điều chỉnh chu

Bảng 2.2: Công nghệ không dây chính được sử dụng trong ứng dụng xe ô tô Bảng 2.3: Các công nghệ vô tuyến trong VANET

Bảng 2.4: Các biến cấu hình [3]

Bảng 2.5: Biến môi trường [3]

Bảng 2.6: Các điều kiện xem xét [3]

Bảng 2.7: Các trạng thái của máy trạng thái

Bảng 3.1: Mối quan hệ giữa giá trị trung bình (mean) và lưu lượng

Bảng 3.2: Các biến cấu hình trong mô phỏng đường giao nhau 1 chiều

Bảng 3.3: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y

Bảng 3.4: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y

Bảng 3.5: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.6: Kết quả Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y ở mật độ xác suất cao Bảng 3.7: Lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất thấp

Bảng 3.8: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất thấp

Bảng 3.9: Lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất trung bình

Bảng 3.10: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất trung bình Bảng 3.11: Lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.12: Kết quả lưu lượng luồng X bằng luồng Y ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.13: Các biến cấu hình trong mô phỏng đường giao nhau 2 chiều

Bảng 3.16: Mối quan hệ giữa luồng X và XX; giữa Y và YY

Bảng 3.17: Lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY

Bảng 3.18: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY

Bảng 3.19: Lưu lượng tuyến X-XX bằng tuyến Y-YY ở mật độ xác suất thấp

Bảng 3.20: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX bằng tuyến Y-YY ở mật độ xác suất thấp Bảng 3.21: Lưu lượng tuyến X-XX bằng tuyến Y-YY ở mật độ xác suất trung bình Bảng 3.22: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX bằng Y-YY ở mật độ xác suất trung bình Bảng 3.23: Lưu lượng tuyến X-XX bằng Y-YY ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.24: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX bằng Y-YY ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.25: Lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY (X>>XX)

Bảng 3.26: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY (X>>XX)

Bảng 3.27: Các biến cấu hình trong mô phỏng ba giao lộ đường một chiều liền kề Bảng 3.28: Mối quan hệ giữa luồng A,B và luồng X trong mô hình đèn giao thông ảo Bảng 3.29: Mối quan hệ giữa luồng C,D và luồng Y trong mô hình đèn giao thông ảo Bảng 3.30: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B)

Bảng 3.31: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B)

Bảng 3.32: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A≈B)

Bảng 3.33: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A≈B)

Bảng 3.34: Lưu lượng luồng A=B, luồng C=D ở mật độ xác suất trung bình

Bảng 3.35: Kết quả lưu lượng giao lộ luồng X và Y khi luồng A=B, luồng C=D ở mật

độ xác suất trung bình

Bảng 3.38: Các biến cấu hình trong mô phỏng ba giao lộ đường một chiều liền kề áp dụng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL dựa vào thông tin giao thông Bảng 3.39: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B)

Bảng 3.40: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A>>B) + giải pháp dựa vào thông tin giao thông

Bảng 3.41: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A=B ở mật độ xác suất cao)

Bảng 3.42: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y (A=B ở mật độ xác suất cao) + giải pháp dựa vào thông tin giao thông

Bảng 3.43: Lưu lượng luồng A=B, luồng C=D ở mật độ xác suất cao

Bảng 3.44: Kết quả lưu lượng tại giao lộ luồng X và Y khi luồng A=B, luồng C=D ở mật độ xác suất cao + giải pháp dựa vào thông tin giao thông

Bảng 3.45: Các biến cấu hình trong mô phỏng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật

toán VTL dựa vào điều chỉnh chu kì xanh đỏ giao lộ 2 đường giao nhau 1 chiều

Bảng 3.46: Lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y

Bảng 3.47: Kết quả lưu lượng luồng X cao hơn luồng Y + giải pháp dựa điều chỉnh chu

kì xanh đỏ

Bảng 3.48: Các biến cấu hình trong mô phỏng giải pháp tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL dựa vào điều chỉnh chu kì xanh đỏ giao lộ 2 đường giao nhau 2 chiều

Bảng 3.49: Lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY

Bảng 3.50: Kết quả lưu lượng tuyến X-XX cao hơn tuyến Y-YY + giải pháp dựa điều chỉnh chu kì xanh đỏ

MANET: Mobile Ad-Hoc Network

VTL: Virtual Traffic Light

ECU: Networked Electronic Control Unit

InV: Intra-Vehicle

V2V: Vehicle to Vehicle

V2I: Vehicle to Infrastructure

OBU: OnBoard Unit

RSU: RoadSide Unit

ITS: Intelligent Transportation Systems

WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access MAN: Metropolitan Area Network

RTT: round trip time

SIG: Special Lobby Special Interest Group

PAN: Personal Area Network

DSRC: Dedicated Short Range Communications

FCC: Federal Communications Commission

OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing WAVE: Wireless Access in Vehicular Environments

PER: Packet Error Rate

C2C-C: Car-to-Car Communication

TMC: Traffic Message Channel

UDLR: UniDirectional Link Routing

AU: Applications Unit

TSB: Topologically scoped broadcast

CNM: Car Navigation Module

LONR: Line Of No Return

LOA: Line Of Activity

NGN: Non Group Member Nodes Number GN: Group Member Nodes Number

Chương 1 Đặt vấn đề 1.1 Tổng quan và động lực đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển tiến bộ không ngừng của xã hội, các phương tiện giao thông và ngành giao thông vận tải là mạch máu của nền kinh tế Cả hai giúp cho việc trao đổi, giao lưu thông thương hàng hóa, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người Các loại hình và mạng lưới giao thông đang ngày càng phát triển Thế nhưng các đô thị

đã và đang phải đối mặt với vấn nạn ùn tắc giao thông cùng những hậu quả ngày càng nghiêm trọng của nó Ùn tắc giao thông ở những thành phố lớn hầu như là chuyện

đương nhiên ở nhiều nước, kể cả các nước đang phát triển Ùn tắc giao thông với tần

suất xảy ra thường xuyên, liên tục và kéo dài triền miên đã gây ra rất nhiều vấn đề bức xúc cho xã hội như lãng phí thời gian, tiền bạc, ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng không tốt đến sức khỏe con người, giảm năng suất lao động, tai nạn giao thông, làm mất cảnh quan đô thị và nhiều tệ nạn xã hội khác 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 Ùn tắc giao thông trong các đô thị đã, đang và ngày càng trở nên bức xúc, nan giải, cần được giải quyết ngay không chỉ trong ngắn hạn mà cần phải có tầm nhìn dài hạn Với mục tiêu xây dựng phát triển và xây dựng đất nước hài hòa, văn minh, hiện đại, cộng với tốc độ

đô thị hóa tăng nhanh như hiện nay, giải quyết vấn đề ùn tắc giao thông xứng đáng là một đề tài cấp thiết, tất yếu và khách quan

Cụ thể hơn, tại giao lộ giữa đường ưu tiên và không ưu tiên, mật độ lưu lượng trên đường ưu tiên luôn cao hơn đường không ưu tiên Mặt khác, chu kì xanh và đỏ của đèn giao thông truyền thống thường được cài đặt bằng nhau Vì vậy, việc sử dụng đèn giao thông truyền thống sẽ dẫn đến tình trạng mất cân bằng giữa hai luồng vì cài đặt thời gian nhiều hơn đèn xanh cho luồng lưu lượng cao là hợp lí hơn Hậu quả là luồng lưu lượng cao sẽ dễ dẫn đến ùn tắc trong giờ cao điểm trong khi luồng có lưu lượng thấp sẽ làm hoang phí thời gian đèn xanh không cần thiết dành cho nó Cùng với việc dân số ngày càng tập trung đông ở các đô thị lớn thì số phương tiện giao thông cũng tăng đến chóng mặt Vì thế tình trạng ùn tắc giao thông ngày càng tăng trong khu vực đô thị làm phát sinh nhu cầu làm cho đèn giao thông linh hoạt và thông minh hơn hay thay thế nó bằng một mô hình khác để có thể tối ưu hóa lưu lượng giao thông từ đó làm giảm tình trạng tắc nghẽn tại các giao lộ

Hiện nay, tối ưu lưu lượng giao thông để giảm tắc nghẽn là đề tài mang tính thời sự và nóng hỏi Rất nhiều giải pháp đã được đưa ra để tối ưu lưu lượng giao thông tại các giao lộ Trong đó giải pháp nổi bật nhất được áp dụng nhiều nhất là điều chỉnh chu kì thời gian đèn xanh 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 thay đổi và tác động nhiều đến hệ thống đèn giao thông có sẵn Ngoài ra, phương pháp này không tốn kinh phí đầu tư cho việc nghiên cứu triển khai một hệ thống mới Cách thực hiện khá đơn giản khi luồng có lưu lượng xe cao thì chu kì xanh sẽ nhiều hơn luồng có lưu lượng thấp Đây là một trong những phương pháp ít tốn kém và hiệu quả nhất để giảm tắc nghẽn xe cộ trong mạng lưới đường đô thị Điều này đặc biệt đúng trong thời gian lưu lượng giao thông cao như trong giờ cao điểm buổi sáng và buổi chiều Trong bối cảnh này, điều chỉnh chu kỳ thời gian đèn đỏ và đèn xanh của đèn giao thông truyền thống tại 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 này thường được dựa trên cơ sở dữ liệu về lưu lượng giao thông ở từng thời điểm khác nhau trong ngày được thu thập tại giao lộ

Tuy nhiên, công việc này hết sức khó khăn vì lưu lượng luôn thay đổi theo thời gian dẫn đến chúng ta phải thay đổi các thông số này liên tục Ngoài ra, việc chúng ta thay đổi các thông số này tại một giao lộ kéo sẽ kéo theo sự thay đổi lưu lượng trên toàn tuyến đường Vì vậy, chúng ta phải điều chỉnh thông số tại tất cả các giao lộ trên cùng tuyến đường sao cho hợp lí tránh tình trạng lưu lượng phân bố không đồng đều trên các đoạn đường ngăn cách nhau bởi các giao lộ Qua đó chúng ta thấy rằng rất khó tối ưu lưu lượng giao thông với cách làm như trên Giải pháp này thực chất chỉ mang tính thích ứng tại từng thời điểm và địa điểm cụ thể chứ không mang tính tối ưu lưu lượng giao thông

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về lĩnh vực thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh hơn bất kỳ một lĩnh vực nào khác Hiện nay, có một công nghệ vô tuyến dự kiến

sẽ được ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần để cải thiện tình trạng tắt nghẽn 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 các khả năng hướng tới chia sẻ và khai thác thông tin trong môi trường vô tuyến trên một vùng địa lí rất linh hoạt

Nhiều ứng dụng và ý tưởng dựa vào công nghệ VANET đã xuất hiện để cải thiện tắc nghẽn và tai nạn giao thông Đặc biệt, việc tối ưu lưu lượng tại một giao lộ đã thu hút được nhiều nhóm nghiên cứu Luận văn này sẽ giới thiệu một giao thức được xây dựng cho VANET để tối ưu lưu lượng giao thông một cách tự động khi mật độ xe thay đổi theo thời gian và tuyến đường mà không cần hệ thống đèn xanh đèn đỏ truyền thống Các xe ô tô tiếp cận cùng một 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 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 Phát biểu bài toán

1.2.1 Tổng quát

Tại các giao lộ trong đô thị, mật độ xe lưu thông rất cao Tuy nhiên, lưu lượng xe trên hai luồng của giao lộ không phải lúc nào cũng xấp xỉ nhau Cụ thể hơn, tại giao lộ giữa đường ưu tiên và không ưu tiên, mật độ lưu lượng trên đường ưu tiên luôn cao hơn đường không ưu tiên Mặt khác, chu kì xanh và đỏ của đèn giao thông truyền thống thường được cài đặt bằng nhau Vì vậy, việc sử dụng đèn giao thông truyền thống sẽ dẫn đến tình trạng mất cân bằng giữa hai luồng vì cài đặt thời gian đèn xanh nhiều hơn cho luồng lưu lượng cao là hợp lí hơn Hậu quả là luồng lưu lượng cao sẽ dễ dẫn đến

ùn tắc trong giờ cao điểm trong khi luồng có lưu lượng thấp sẽ làm hoang phí thời gian đèn xanh không cần thiết dành cho nó Tình trạng ùn tắc giao thông tại một số tuyến đường lưu lượng cao trong khu vực đô thị làm phát sinh nhu cầu làm cho đèn giao truyền thống trở nên linh hoạt và thông thông minh hơn hoặc thay thế nó để có thể tối

ưu hóa lưu lượng giao thông từ đó làm giảm tình trạng tắc nghẽn tại các giao lộ

Ý tưởng chính của luận văn là thay thế các hệ thống trụ đèn báo hiệu tại nút giao thông bằng giao thức thông minh dựa trên thuật toán Vitual Traffic Light (VTL) thông qua VANET dựa theo tài liệu tham khảo từ dự án Distributed Virtual Traffic Light System (tháng 5 năm 2010) của nhóm tác giả người Bồ Đào Nha gồm Alexandre Santos, Hugo Conceição, Hugo Mendes, Nuno Jordão [3] 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 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 trang ùn tắc tại khu vực giao lộ

Công việc chính của luận văn là cài đặt thuật toán VTL trên phần mềm mô phỏng Matlab để tiến hành mô phỏng Các mô hình mô phỏng được xây dựng trên Matlab gần giống với mô hình thực tế với lưu lượng xe ở các luồng tại giao lộ thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên với mật độ xác suất theo một phân bố nào đó (ví dụ như phân bố Poisson) [13] và chu kì thời gian của tín hiệu đỏ xanh được cài đặt trước Chu

kì lấy mẫu kết quả cũng được xác định trước

Mục đích của việc làm trên nhằm chứng minh thuật toán VTL có thể tối ưu hóa được lưu lượng giao thông trong các kịch bản tại giao lộ từ đó giảm thiểu được tình trạng tắc nghẽn giao thông so với hệ thống đèn giao thông truyền thống Từ kết quả mô phỏng thu được, thuật toán VTL vẫn còn tồn tại một số mặt hạn chế Do đó, một số giải pháp

đề xuất được đưa ra để cải thiện thêm tính tối ưu của thuật toán VTL

1.2.2 Chi tiết công việc

Ý tưởng chính của hệ thống đèn giao thông ảo dùng thuật toán VTL là xe đến từ những con đường khác nhau của giao lộ sẽ cùng dàn xếp bầu ra một “leader” cho giao lộ dựa trên một giao thức và leader đó sẽ tạo ra đèn giao thông ảo, phát sóng (ví dụ dùng chuẩn IEEE 802.11p) [4] điều khiển các xe ở gần đó nhằm kiểm soát việc chuyển đổi trạng thái [2] Để thiết lập một thuật toán đèn giao thông ảo an toàn và hiệu quả cần xem xét các loại thông tin sau: thông tin về vị trí các xe, thông tin về trạng thái hiện tại của các xe, thông tin về lưu lượng [3] Các thông tin này được trao đổi giữa các xe nhờ VANET

Để có thể hiểu được tính khả thi của VTL và do những khó khăn trong việc thực hiện các bài kiểm tra trong một môi trường thực tế, mô phỏng là giải pháp hợp lý Công việc chính là cài đặt thuật toán VTL trên Matlab để tiến hành mô phỏng Các mô phỏng được xây dựng gần giống với mô hình thực tế với lưu lượng xe ở các luồng tại giao lộ thay đổi theo thời gian một cách ngẫu nhiên theo một phân bố nào đó, chu kì thời gian của tín hiệu đỏ và xanh được cài đặt trước

Mục đích của việc mô phỏng nhằm chứng minh thuật toán VTL sẽ tối ưu hóa được lưu lượng giao thông trong các kịch bản tại giao lộ từ đó giảm thiểu được tình trạng tắc nghẽn giao thông so với đèn giao thông truyền thống Từ kết quả mô phỏng thu được,

thuật toán VTL vẫn còn tồn tại một số mặt hạn chế Do đó, một số đề xuất được đưa ra

để cải thiện thêm tính tối ưu của thuật toán

Luận văn được chia làm ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: một số kịch bản tại giao lộ 1 chiều đã được khảo sát và đánh giá sơ bộ

- Giai đoạn 2: các kịch bản còn lại tại 1 giao lộ sẽ được khảo sát và đánh giá trong

luận văn này Ngoài ra, luận văn đã phát triển mở rộng đánh giá khảo sát trên qui mô 3 giao lộ kế cận để tăng thêm độ thuyết phục của thuật toán

- Giai đoạn 3: đưa ra một số đề xuất nhằm làm tăng thêm tính tối ưu lưu lượng dựa

trên mô hình VTL

1.3 Phạm vi đề tài

Trong phạm vi của đề tài này, chúng ta giả định rằng mạng VANET là lí tưởng (không rớt gói, trễ không đáng kể, gói tin không bị đụng độ), các thiết bị trên xe hỗ trợ cho mạng VANET và giao thức VTL hoạt động ổn định

Điều quan trọng nhất là tất cả các tài xế đều có ý thức tốt và tuân theo luật lệ giao thông và sự dàn xếp của giao thức VTL

Khi các điều kiện trên được thỏa mãn, luận văn sẽ đi vào khảo sát đánh giá các kịch bản tại 1 giao lộ và 3 giao lộ (2 giao lộ liền kề trên 2 hướng vuông góc của giao lộ trung tâm) Theo đó, các kịch bản được khảo sát và đánh giá bao gồm:

- Giao lộ 2 đường giao nhau là 1 chiều

- Giao lộ 2 đường giao nhau là 2 chiều

- 2 giao lộ kế cận theo 2 hướng vuông góc với giao lộ trung tâm

- 2 giao lộ kế cận theo 2 hướng vuông góc với giao lộ trung tâm và giải pháp đề xuất tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL

- Giao lộ 2 đường giao nhau là 1 chiều và giao lộ 2 đường giao nhau là 2 chiều kết hợp giải pháp đề xuất tăng thêm tính tối ưu của thuật toán VTL

xe với cơ sở hạ tầng (Vehicle to Infrastructure - V2I) đang nổi lên nhanh chóng và ngày càng trở nên hiện thực Vì vậy, với việc hệ thống mạng liên lạc cho xe ô tô đã nhanh chóng trở nên phổ biến thì dữ liệu không chỉ được trao đổi nội trong xe mà còn

ra ngoài xe Trên cơ sở đó, các công nghệ mạng mới đang được phát triển riêng cho xe

ô tô Trong chương này, các khái niệm cơ bản về Mobile Ad-Hoc Network (MANET), Vehicle Ad-hoc Network (VANET), tổng quan các công nghệ và các chuẩn vô tuyến mới cùng các vấn đề liên quan sẽ được giới thiệu

2.1.1 Mobile Ad-hoc NETwork (MANET)

Khi không thể hoặc khó khăn trong việc triển khai mạng điện thoại di động thì các công nghệ truy nhập mạng của internet mang tính khả thi hơn Công nghệ MANET giúp giảm chi phí xây dựng và triển khai cơ sở hạ tầng mạng viễn thông Trong MANET, các nút di động không dây có quan hệ mật thiết với nhau tạo thành mạng không dây mà không cần cơ sở hạ tầng để thiết lập và duy trì kết nối giữa chúng [4] Vì không có sự kết hợp hay cấu hình trước nên khi thiết lập kết nối MANET tồn tại một

số thách thức như sau:

- Việc định tuyến gói tin trong môi trường sơ đồ mạng (topology) thay đổi liên tục

- Các vấn đề và thách thức trong thông tin vô tuyến

- Các vấn đề tài nguyên lưu trữ và công suất thu phát của anten

- Tại một số khu vực như rừng núi và những nơi xa xôi cách trở thì mạng lưới như vậy không thể xây dựng được vì không thể cung cấp đủ lượng năng lượng cần thiết cho các

anten thu phát Tại những khu vực này sử dụng thông tin vệ tinh là khả thi nhất nhưng dung lượng còn hạn chế và có những tình huống dưới lòng đất thì các vệ tinh không thể được nhìn thấy

Mặc dù vậy, MANET vẫn kế thừa rất nhiều ưu điểm từ mạng internet Trên mạng internet, khi hai máy tính giao tiếp với nhau, không máy nào được xem là quan trọng hơn so với máy khác Nhưng trong mạng điện thoại di động, điện thoại phụ thuộc vào nhà mạng ngay cả khi hai điện thoại được sử dụng ngay bên cạnh nhau Bất kỳ kết nối nào của chúng luôn thông qua mạng lưới và trong tầm phủ sóng của các anten của các trạm gốc (base station) Thuộc tính hữu ích tiếp theo là về tính linh hoạt trong thực hiện kết nối khi các router trên internet liên tục cập nhật thông tin về tuyến từ các nút kế cận Công nghệ MANET có khả năng giúp mạng lưới di động trao đổi thông tin ở tần

số cao Sau đây là các lí do khiến MANET được sử dụng:

- Các thiết bị di động đã hình thành được một mạng ngang hàng (peer-to-peer) cho việc trao đổi dữ liệu với nhau hoặc với mạng viễn thông

- Công nghệ này có thể tạo ra các cơ hội kinh doanh mới vì những người sử dụng đầu cuối trong những điều kiện nhất định có thể bỏ qua mạng điện thoại di động thương mại truyền thống

- Đối với các dịch vụ của MANET như peer-to-peer và chia sẻ dữ liệu có thể kết hợp với công nghệ 3G

Rõ ràng, MANET chính là một công nghệ mới đầy tiềm năng và tác động mạnh mẽ đến thế giới viễn thông và các nhà sản xuất phần cứng

2.1.2 Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET)

Nguyên lí cơ bản của VANET kế thừa sự phổ biến và chi phí triển khai thấp của công nghệ WLAN dùng để kết nối các laptop với nhau hoặc kết nối đến internet để áp dụng cho công nghệ mạng xe ô tô [5] Nếu các xe có thể liên lạc trực tiếp với nhau và với cơ

sở hạ tầng thì mô hình các ứng dụng an toàn cho xe ô tô có thể được tạo nên Thậm chí các ứng dụng không mang tính an toàn khác cũng có thể tối ưu được hiệu quả của ô tô

và đường xá Tuy nhiên, các thách thức mới sẽ xuất hiện khi tốc độ các xe cao và môi trường hoạt động không ngừng thay đổi Các yêu cầu mới đòi hỏi bởi các ứng dụng mới an toàn cho cuộc sống “safety-of-life” bao gồm các tiêu chuẩn vận chuyển các gói tin ở tốc độ cao và độ trễ thấp

Hơn nữa, để đạt được sự đồng thuận của các lái xe và chính quyền quản lí dẫn đến một tiêu chí rất cao về độ riêng tư và tính an toàn giao thông Ngày nay, các phương tiện giao thông đã có thể tạo ra và phân tích tính toán một khối lượng lớn dữ liệu, mặc dù các dữ liệu này chỉ phát sinh và được xử lí nội bộ trong xe Với VANET, thông tin liên lạc có thể được thực hiện trực tiếp giữa các xe với nhau (thông tin qua một chặng) hoặc các xe có thể tái vận chuyển các thông điệp (thông tin đa chặng) Để tăng vùng phủ và chất lượng của các kết nối vô tuyến, các trạm “relay” ở ven đường có thể được triển khai Cơ sở hạ tầng ven đường được sử dụng như là cổng (gateway) để ra internet, do

đó các thông tin có thể được thu thập, lưu trữ và xử lí linh hoạt ở miền điện toán đám mây Các ưu điểm từ hệ thống mạng cho xe ô tô đang được thúc đẩy một cách mạnh

mẽ bởi sự đa dạng của các ứng dụng trong miền điện toán đám mây

Trước hết, các ứng dụng về an toàn giao thông dễ dàng được triển khai qua VANET

mà tiêu biểu nhất là các ứng dụng về ngăn ngừa tai nạn giao thông Thứ hai, bằng cách thu thập tình trạng lưu lượng trong một khu vực, lưu lượng lưu thông có thể tăng lên, thời gian di chuyển có thể giảm xuống cũng như giảm được việc tiêu tốn nhiên liệu Tính an toàn và hiệu quả trong VANET không được tách rời nhau Khi có một vụ tai nạn xảy ra, một thông điệp thông báo có tai nạn có thể được xem là thông điệp an toàn cho các xe ở gần vụ tai nạn vì sẽ tránh cho các xe ở gần đó đang di chuyển ở tốc độ cao không dừng lại kịp sẽ gây tai nạn liên hoàn Thông điệp này cũng có thể được nhận bởi các xe không ở gần vụ tai nạn như là một thông tin để tính toán tuyến đường thay thế bởi các ứng dụng nhằm làm tăng lưu lượng và hiệu quả lưu thông trong giao thông Trong khi ý tưởng và các khái niệm cơ bản về VANET tương đối đơn giản thì việc thiết kế và triển khai VANET là một thử thách thật sự về mặt kĩ thuật lẫn kinh tế Các thách thức chính về kĩ thuật như sau:

- Các thuộc tính vốn có của kênh truyền vô tuyến: VANET kế thừa những đặc điểm

cố hữu gây khó khăn việc phát triển thông tin vô tuyến như nhiều chướng ngại vật gây phản xạ sóng có thể làm suy giảm cường độ và chất lượng của tín hiệu nhận được Ngoài ra, do sự di chuyển của các đối tượng xung quanh hay của chính máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng fading

- Thiếu sự quản lý tập trung và tổ chức phối hợp trực tuyến: việc sử dụng công

bằng và hiệu quả băng thông sẵn có của các kênh vô tuyến là một nhiệm vụ khó khăn trong một mạng lưới hoàn toàn phân cấp và tự tổ chức Việc thiếu một thực thể để

đồng bộ hóa và quản lý việc truyền phát của các node khác nhau dẫn đến kết quả sử dụng kênh truyền một cách kém hiệu quả và một số lượng gói tin bị đụng độ nhau (collision)

- Tính di động cao: những thách thức của một mạng tự tổ chức phân cấp được đặc biệt

nhấn mạnh bởi tốc độ cao của các nút trong VANET Tính di động cao là một thách thức với hầu hết các thuật toán tối ưu hóa nhằm sử dụng tốt hơn băng thông kênh truyền hoặc sử dụng của các tuyến đường được xác định trước để truyền (forward) thông tin

- An ninh và tính riêng tư: tồn tại thách thức về nhu cầu cân bằng giữa an ninh và

riêng tư Các máy thu muốn đảm bảo rằng nguồn gốc thông tin có thể tin tưởng được Hơn nữa, sự tin tưởng về nguồn gốc của thông tin của máy thu có thể mâu thuẫn với các yêu cầu về tính bảo mật thông tin người gửi

- Tiêu chuẩn hóa mâu thuẫn sự đa dạng: tồn tại nhu cầu về tiêu chuẩn hóa VANET

để có thể làm việc trên các thiết bị của các nhà sản xuất khác nhau Tuy nhiên, có một

số nhà sản xuất vẫn muốn tạo ra sự khác biệt riêng trên các sản phẩm của họ

- Trong VANET, tốc độ và hướng xe là không thể đoán trước Trong một số trường hợp, khi hai xe di chuyển theo hướng ngược chiều nhau, kết nối giữa hai xe này là rất ngắn Do đó, các yêu cầu về thời gian thực cần được xem xét khi phát triển các ứng dụng Chỉ cần chậm trễ một vài giây, một thông điệp rất quan trọng liên quan đến thông tin an toàn có thể trở thành vô nghĩa

- Qui mô của VANET lớn hơn nhiều so với MANET Số lượng xe lên đến hàng trăm ngàn trong khi giao tiếp MANET chủ yếu là nội bộ Vì vậy, mạng VANET được phân vùng nhỏ và các giao thức và ứng dụng được thiết kế phù hợp cho khu vực địa phương

- Khi xe đang chuyển động nhanh, sơ đồ mạng thay đổi liên tục Đây là sự khác biệt quan trọng nhất giữa VANET và MANET Trong MANET các nút được cố định nhưng trong VANET các nút luôn di động Đôi khi, tốc độ của xe lên đến 150 km/h trên đường cao tốc Mặt khác, lộ trình xe trên những con đường đã được xác định Việc lan truyền thông điệp có thể tận dụng lợi thế này Hơn nữa, mật độ các nút thay đổi theo thời gian: thấp vào ban đêm và cao trong giờ cao điểm trong ngày

- Sự di chuyển của xe trong VANET nhiều hơn hoặc ít hơn tùy thuộc vào cách bố trí của con đường và điều kiện đường xá Các phương tiện không thể di chuyển xung quanh tùy tiện như trong MANET mà có lộ trình rõ ràng Hướng đi của một chiếc xe là không thể đoán trước tại một giao lộ

Do đó, các thuật toán hiện có áp dụng cho MANET không phù hợp với VANET VANET có những thách thức đáng kể nên cần bổ sung một số yêu cầu và giao thức mới

2.1.4 Các yêu cầu về mạng trong các ứng dụng VANET

Trong mục này, các yêu cầu về kĩ thuật cho mạng cho ô tô sẽ được giới thiệu Trong phần lớn các trường hợp, hiệu quả hoạt động của mạng cần thỏa mãn rất nhiều đòi hỏi Tuy nhiên, chỉ những yêu cầu quan trọng nhất sẽ được đề cập sau đây

Bảng 2.1: Các yêu cầu về kĩ thuật cho mạng cho ô tô

Ứng dụng

Nhận biết vị trí

Khả năng Geocast

Phụ thuộc tốc độ lan truyền

Nhận biết thời gian

Kết nối

ổn định

Tính

di động

bị trong quá trình giao tiếp không chỉ do ảnh hưởng của tính di động Nhiễu giữa các thiết bị vô tuyến khác trong VANET cần được xem xét do việc sử dụng các băng tần 2.4 GHz Ngoài ra, sự hiện diện của các thiết bị tại địa điểm có địa hình xấu cũng có thể gây ra các vấn đề thông tin trong mạng xe ô tô Các yếu tố khác như sự tồn tại của các xe khác hoặc các tòa nhà được xem xét trong mô hình di động thực tế cho VANET

2.1.4.2 Kết nối ổn định

Khả năng truy cập ổn định là một trong những mặt hạn chế chính của thông tin trong mạng ô tô Trong thiết kế VANET, cơ sở hạ tầng không đóng vai trò quan trọng do thiết kế phân cấp Khi mạng dựa trên cơ sở hạ tầng thì các nhà khai thác không cung cấp các dịch vụ tương tự nhau trong các môi trường khác nhau Ví dụ trên môi trường

đô thị, phạm vi bao phủ tuyệt đối và số lượng các trạm cơ sở cao Tại các vùng nông thôn thì phạm vi bao phủ không tuyệt đối và số lượng các trạm cơ sở thấp Khi xe ôtô được trang bị hệ thống VANET, nó luôn luôn phát ra các thông điệp vì xe là một phần của cơ sở hạ tầng Hơn nữa, trong các kết nối mạng di động, phân biệt giữa vùng phủ

và dung lượng rất quan trọng Phạm vi bao phủ là khả năng thiết bị đầu cuối di động có thể sử dụng mạng Tuy nhiên, người sử dụng có thể bị từ chối thiết lập cuộc gọi hoặc kết nối dữ liệu ngay cả trong trường hợp vùng phủ tốt khi dung lượng mạng bị vượt quá Tùy thuộc vào công nghệ chẳng hạn như điều chế, phân bố tần số, phân phát khe thời gian… hiệu ứng này có thể bị các tác động khác nhau

cho các xe sau hãm phanh kịp thời, thông báo tình trạng giao thông, xác định vị trí bãi đậu xe

Trong bối cảnh này, các kiến thức về vị trí xe là vô cùng cần thiết Tuy nhiên, kiến thức này chỉ có ý nghĩa cho xe trong một khu vực địa lý cụ thể Việc trao đổi thông tin giữa các xe trong một khu vực địa lý cụ thể đòi hỏi phải có khả năng giao tiếp đáng tin cậy

và có khả năng mở rộng như việc định tuyến và đánh địa chỉ địa lý Chức năng này chủ yếu dựa trên các thông tin được đưa ra bởi máy thu GPS Tuy nhiên, GPS gặp một số hạn chế trong một số môi trường mà máy thu không thể bắt được sóng GPS Khi ấy, các kỹ thuật định vị khác dựa trên mạng di động hoặc WiFi… Các dịch vụ an toàn quan trọng như cảnh báo cảnh báo va chạm và quản lý sự cố cần định vị với độ chính xác cao Lưu ý rằng một hệ thống định vị có độ chính xác cao có thể giúp xác định các khu vực có liên quan một cách chính xác hơn Tuy nhiên các dịch vụ khác, yêu cầu độ chính xác định vị không cao như các ứng dụng ngang hàng (peer to peer) hay ứng dụng theo dõi xe

2.1.4.4 Thời gian thực

Các ứng dụng cho ô tô thường yêu cầu một kênh truyền đáng tin cậy cho việc truyền tải thông điệp quan trọng trong thời gian thực [7] Một trong các tiêu chí quan trọng nhất để đo lường chất lượng của mạng bất kể loại ứng dụng gì là độ trễ Mặc dù hầu hết các ứng dụng có ràng buộc về thời gian nhưng những ứng dụng có liên quan tới an toàn giao thông đường bộ là quan trọng bậc nhất Do đó, một thách thức trong mạng lưới xe ô tô là cung cấp hành vi thời gian thực Để cho phép người lái xe phản ứng nhanh chóng, thông tin phải đến đích trong sự chậm trễ rất nhỏ ngay sau khi sự việc xảy ra Tuy nhiên, yêu cầu này không dễ dàng được đảm bảo trong các mạng di động Khó khăn này thậm chí còn lớn hơn nếu xem xét các đặc tính mạng xe ô tô, đặc biệt là tính di động cao Như vậy, thông tin thời gian thực chỉ có thể được đảm bảo bởi sự hiện diện của một hệ thống thông tin liên lạc hiệu quả và mạnh mẽ

2.1.4.5 Tỉ lệ trang bị thiết bị

Tỷ lệ trang bị được định nghĩa là tỷ lệ phần trăm các xe được trang bị OBU (on board unit) trên đường Tham số này có thể có những hậu quả quan trọng trong hoạt động của một số ứng dụng, đặc biệt là những ứng dụng quan trọng và cần sự an toàn Mặc dù tỉ

lệ trang bị thấp rõ ràng là một vấn đề trong các ứng dụng an toàn Nếu số lượng xe được trang bị quá nhiều cũng phát sinh các vấn đề về truyền dẫn Trong các mạng di

động, mật độ sử dụng cao cũng là vấn đề Hiệu suất của hệ thống không bị ảnh hưởng khi số lượng xe có trang bị OBU thấp, nhưng trong trường hợp tải trọng cao, kết nối mạng bắt đầu hoạt động kém hiệu quả khi bộ phân phát khe thời gian phục vụ người sử dụng quá tải

Lưu ý rằng tỷ lệ trang bị có ảnh hưởng trực tiếp tới băng thông không dây được sử dụng Tỷ lệ trang bị càng tăng, càng cần nhiều băng thông cấp phát cho các phương tiện có thể giao tiếp

2.1.4.6 Chức năng Geocast

Bảng 2.2: Công nghệ không dây chính được sử dụng trong ứng dụng xe ô tô

Công nghệ Tầm xa

Loại kết nối

Mbps 2.4, 5 Ghz

IEEE 802 a/b/g ** * ** DSRC 1 km 1-to-n 50

Mbps 5.9 Ghz

IEEE 802.11p ** ** ** WiMAX 10 km 1-to-n ~20

Mbps 2.4, 5 Ghz

IEEE 802.16e ** ** Thông tin

di động 10 km 1-to-n

~10 Mbps

CENELEC

50067 CEN ENV

950-1450

*: được sử dụng; **: được sử dụng nhiều

Geocast cung cấp khả năng chuyển thông điệp tới các nút trong một khu vực địa lý [6] Hình dạng và kích thước của khu vực này phụ thuộc vào mục đích sử dụng của ứng dụng Sự phức tạp của việc xác định khu vực phụ thuộc vào tập hợp các xe phía sau

hoặc ở phía trước của đối tượng Bằng cách tiếp cận khác, hạn chế này được khắc phục khi khu vực được định nghĩa bao gồm các xe bên trong khu vực này hoặc gần một địa điểm được chỉ định

Để hỗ trợ một kiến trúc thông tin tổng thể, nơi có thể triển khai các dịch vụ yêu cầu cả unicast và khả năng geocast, một kiến trúc mạng lai có thể được áp dụng Geocast được coi là hiệu quả nếu thông tin này được chuyển tiếp trong địa bàn thưa thớt và dày đặc, trong khi tận dụng hiệu quả băng thông có sẵn và có khả năng mở rộng (8)

2.1.5 Mô hình thông tin trong VANET

Hình 2.1: Hệ thống điều khiển mạng điện nội bộ xe (ECU) Nhu cầu kết nối của các xe có thể được chia thành hai nhóm chính: giữa các xe với nhau (vehicle to vehicle - V2V) hoặc nội bộ xe (intervehicle - INV) (hình 2.1) và thông tin liên lạc giữa xe với cơ sở hạ tầng (vehicle to infrastructure - V2I) hay giữa cơ sở hạ tầng với xe (I2V) Tùy thuộc vào những nhu cầu ứng dụng hoặc dịch vụ khác nhau, một trong các công nghệ mạng không dây sẽ được chọn Các công nghệ mạng không dây có thể được chia thành: thiết lập các liên kết vật lý theo kiểu “1-to-1” và theo kiểu broadcast “1-to-n” Trong trường hợp này, một số loại điểm truy cập chia sẻ băng thông có sẵn cho các xe Do đó băng thông này có thể không đủ khi tăng số lượng các nút được phục vụ bên trong vùng phủ sóng Do đó, xu hướng trong công nghệ không dây trong tầm ngắn sẽ tận dụng băng thông có sẵn, chia sẻ nó cho số lượng nhỏ người

sử dụng trong phạm vi phủ sóng nhỏ Ngược lại, công nghệ phủ rộng phải chia sẻ băng thông có sẵn cho nhiều người sử dụng Tuy nhiên, các phương tiện truyền thông không dây tầm ngắn thiếu sự ổn định, do khu vực khu vực truy cập hẹp Tổng quan về công

nghệ không dây chính được sử dụng trong lĩnh vực xe ô tô được đưa ra trong bảng 2.2 Đối với thông tin liên lạc với cơ sở hạ tầng, WLAN, DSRC, WiMAX, thông tin di động và vệ tinh là khả thi Tuy nhiên, điều quan trọng là phải chú ý đến các ứng dụng khác nhau mà các công nghệ truy nhập trên phủ sóng Trong trường hợp của WLAN/DSRC, xe thường kết nối với các RSU (road side unit) Mặt khác, WiMAX/thông tin di động sử dụng mạng 1-to-n trong phạm vi trung bình và trong thông tin vệ tinh mô hình 1-to-n được áp dụng trong phạm vi rộng Trong thông tin di động và vệ tinh, thiết kế của mạng là cố định hơn hơn so với các công nghệ khác vì phải sử dụng và phụ thuộc vào nhà mạng Theo đó, các nhà cung cấp dịch vụ thường

sử dụng các kết nối được cung cấp trực tiếp bởi các nhà mạng và không có khả năng để quản lý lưu lượng truy cập dữ liệu bên trong mạng của nhà khai thác mạng

Hình 2.2: Mô hình thông tin VANET

2.1.6 Các kĩ thuật thông tin vô tuyến trong VANET

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, có rất nhiều công nghệ vô tuyến có thể sử dụng cho các kiểu liên lạc InV, V2V và V2I Chi tiết của mô hình các ứng dụng truyền tải thông tin ứng với mỗi công nghệ được liệt kê trong bảng 2.2.DSRC là xu hướng công nghệ mới nhất cung cấp thông tin giao thông thời gian thực giúp thực thi hệ thống giao thông thông minh (ITS) một cách hiệu quả [4] Vì vậy

trong phần này, công nghệ mới DSRC cho mạng xe ô tô sẽ được tập trung giới thiệu chủ yếu

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

Hình 2.3: Các kĩ thuật thông tin vô tuyến trong VANET

2.1.6.2 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, 802.16ea 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

2.1.6.3 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

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) [9] Một số nhà nghiên cứu cũng ủng hộ việc sử dụng Bluetooth để ứng dụng vào V2V [10] 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

* Cấu trúc Bluetooth

Giao tiếp Bluetooth đòi hỏi 2 vấn đề cơ bản sau: trước tiên các thiết bị trong khu vực lân cận cần được phát hiện và thứ hai là phải có một mạng được thiết lập trước Thông tin liên lạc dựa trên nguyên tắc chủ tớ (master – slave) Một nhóm các thiết bị tạo thành một tế bào được gọi là piconet Piconet gồm 1 master và tối đa 7 slave Một số piconet

có thể chồng lên nhau và tạo thành một scatternet (hình 2.3) Trong piconet thông tin liên lạc dựa vào master để cấp phát kênh tần số Các neighbor được biết thông qua pha discovery trong khi trong scatternet dữ liệu cần được định tuyến giữa master và các nút chuyển tiếp Bluetooth trong scatternet không được phát triển mạnh Nó được cải thiện bởi các thủ tục định tuyến riêng trong các tiêu chuẩn sau này như ZigBee Hai thiết bị slave không thể nói chuyện trực tiếp với nhau ngoại trừ trong pha dò tim (discovery) Việc phân bố kênh và thiết lập kết nối là nhiệm vụ của master Có một giới hạn trong các phiên bản trước đó của Bluetooth về số lượng các kênh sử dụng đồng thời trong một piconet, hạn chế này đã được các phiên bản hiện tại khắc phục khi dung lượng cell tăng lên Tiêu chuẩn này hỗ trợ broadcast bằng cách đơn giản loại bỏ đích của các thông điệp Master cũng có trách nhiệm phân bố và chặn băng thông kết nối mới Master có trách nhiệm thiết lập đồng hồ đồng bộ hóa piconet và quyết định cho chuỗi nhảy tần (FHS) Slave có thể là một phần của nhiều piconet Một trong những tính năng chính của Bluetooth là không phụ thuộc vào IP Thiết kế này giúp giảm bớt việc triển khai các thiết bị mà không cần phải lo lắng về vấn đề các lớp trên như phân bổ địa chỉ, bộ định tuyến mặc định, mặt nạ mạng… Cấu hình tự động do đó sẽ dễ dàng hơn

Hình 2.4: Bluetooth Scatternet

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 (10) 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

2.1.6.5 DSRC và 802.11p

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 [4] 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 Kĩ 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 (Wireless Access in Vehicular Environments - WAVE) gồm có:

- Quản lí tài nguyên (IEEE 1609.1)

- 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 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) Chuẩn IEEE 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 ven 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

Bảng 2.3: Các công nghệ vô tuyến trong VANET

Chuẩn/Công nghệ 3G MIMO 2009

802.11n 2009

Kĩ thuật băng rộng

Thông tin giữa:

- RSU và xe ô tô

- Xe và xe

Truy nhập internet, VoIP

Thông tin giữa:

- RSU và xe ô tô

- Xe và xe

2.1.6.6 Cấp phát kênh tần số

Hình 2.6: Cấp phát kênh tần số