Truyền thông đa phương tiện giữa các xe cộ di chuyển với tốc độ cao sử dụng sóng vô tuyến tầm gần chuyên dụng DSRC

Dựa vào các ý tưởng trên hệ thống mạng ad-hoc xe cộ thông minh VANET-vehicular ad-hoc network sử dụng sóng tầm gần chuyên dụng DSRC ra đời, nó là một lĩnh vực đang được các nước phát tri

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG VĂN DƯỠNG

TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN GIỮA CÁC XE CỘ DI CHUYỂN VỚI TỐC ĐỘ CAO SỬ DỤNG SÓNG VÔ TUYẾN TẦM GẦN

CHUYÊN DỤNG DSRC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS PHẠM VĂN TIẾN

Hà Nội – 10/2016

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ v

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix

MỤC BẢNG BIỂU xi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu chung về Mạng xe cộ VANET – Vehicular Ad hoc Network.3 1.1.1 Mạng Ad-hoc 3

1.1.2 Mạng VNET 7

1.2 Giới thiệu về công nghệ DSRC 14

1.2.1 Khái niệm DSRC 14

1.2.2 Chuẩn 802.11p 15

1.2.3 Lớp vật lý của chuẩn 802.11p 16

1.2.4 Đánh giá công nghệ vô tuyến DSRC 17

1.2.5 Tín hiệu vô tuyến của công nghệ DSRC 18

1.2.6 Phía phát DSRC 19

1.2.7 Phía thu DSRC 22

1.2.8 Các ứng dụng thực tiễn có thể áp dụng của công nghệ DSRC 24

1.3 Kết luận chương 25

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MẠNG AD-HOC VANET ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN BẰNG SÓNG TẦM GẦN CHUYÊN

DỤNG DSRC……… 26

2.1 Mô hình mạng Ad-hoc VANET 26

2.1.1 Những mô hình hệ thống mạng trong VANET 27

2.1.2 Các giao thức định tuyến trong mạng VANET (Routing) 32

2.1.3 Phát triển hệ thống 39

2.1.4 An toàn hệ thống trong mạng VANET 41

2.2 Ứng dụng Multimedia dùng công nghệ DSRC trong VANET 46

2.2.1 Thiết bị đặt trên các phương tiện (OBU – Onboard Unit) 47

2.2.2 Hệ thống truyền thông đa phương tiện trên OBU 48

2.3 Kết luận chương 52

CHƯƠNG 3.TRIỂN KHAI THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 53

3.1 Kịch bản thí nghiệm 53

3.2 Triển khai thí nghiệm 54

3.2.1 Thí nghiệm: Xây dựng mạng 54

3.2.2 Thí nghiệm: Truyền thông đa phương tiện giữa hai giao diện mạng khác nhau 59

3.2.3 Thí nghiệm: Triển khai Network Coding theo topo chữ X 60

3.2.4 Thí nghiệm: Triển khai truyền thông đa chặng, áp dụng Network Coding 61

3.3 Đánh giá kết quả thí nghiệm 62

3.4 Kết luận chương 65

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

Kết luận chung 66

1 Những kết quả đạt được 66

2 Những mặt còn hạn chế 66

3 Hướng phát triển đề tài 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là sự nghiên cứu và tìm hiểu thực sự của tôi và

là một phần trong khuôn khổ dự án nghiên cứu của Embedded Networking Lab – P411, C9 đại học Bách Khoa Hà Nội, nội dung được thực hiện dựa trên sự kế thừa kết quả nghiên cứu của phòng Lab và được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Phạm Văn Tiến Những đánh giá, nhận xét của cá nhân được đưa ra từ những nghiên cứu lý thuyết và thực hành thực tiễn

Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và tham khảo

có dẫn chứng cụ thể

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Hoàng Văn Dưỡng

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Hoàng Văn Dưỡng

Đề tài luận văn: Truyền thông đa phương tiện giữa các xe cộ di chuyển với tốc

độ cao sử dụng sóng vô tuyến tầm gần chuyên dụng DSRC

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số HV : CB140240

Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 28/10/2016 với các nội dung sau:

- Luận văn đã chỉnh sửa và thay thế các hình vẽ chưa rõ ràng, bảng chữ cái

viết tắt theo thứ tự ABC trong nội dung

- Luận văn đã bổ xung các tài liệu tham khảo đầy đủ

- Luận văn đã chỉnh sửa lại cách trình bày theo đúng hình thức quy định

TS Hàn Huy Dũng

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Vector

Giao thức định tuyến khoảng cách vector theo yêu cầu

cộng sinh

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with

hợp GPSR Greedy Perimeter Stateless Routing Định tuyến theo khoảng cách

Communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IEEE Institute of Electrical and

(điều chế pha vuông góc)

(Giao thức báo hiệu)

Telecommunications Systems

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

IP

WAVE Wireless Access in Vehicular

Environments

Môi trường truy cập di động trên xe cộ

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình mạng không dây Ad-hoc 4

Hình 1.2: Mạng Ad-hoc điển hình 5

Hình 1.3: Mô tả mạng VANET 7

Hình 1.4: Mô tả sự trao đổi thông tin giữa các xe trong mạng VANET 8

Hình 1.5: Cảnh báo va chạm giữa các xe khi cùng tham gia giao thông với nhau 9

Hình 1.6: Mô tả va chạm head-on 10

Hình 1.7: Mô tả va chạm rear-end 10

Hình 1.8: ứng dụng trong giao thông 12

Hình 1.9: Ứng dụng trong quân sự 13

Hình 1.10: Ứng dụng thông tin vệ tinh 13

Hình 1.11: Phân chia kênh cho DSRC 19

Hình 1.12: Cấu trúc chuỗi tín hiệu của hệ thống DSRC 19

Hình 1.13: Cấu trúc phía phát của hệ thống DSRC 20

Hình 1.14: Cấu trúc phía phát của hệ thống DSRC 20

Hình 1.15: Bộ trộn Interleaving của DSRC 21

Hình 1.16: Cấu trúc phía thu của hệ thống DSRC 22

Hình 1.17: Hệ thống thu phí điện tử tự động trên đường cao tốc 24

Hình 1.18: Cảnh báo tắc nghẽn giao thông 25

Hình 2.1: Mô hình hệ thống mạng trong VANET 27

Hình 2.2: Minh họa hệ thống mạng sử dụng VANET 28

Hình 2.3: Mô tả chi tiết về mô hình của hệ thống 28

Hình 2.4: Hệ thống giao tiếp 2 chiều 29

Hình 2.5: Chế độ giao tiếp dựa vào vị trí 30

Hình 2.6: Chế độ giao tiếp Multi-hop dựa vào vị trí 32

Hình 2.7: Trao đổi dữ liệu trong mô hình V2V 41

Hình 2.8: Hình minh họa 44

Hình 2.9: OBU – Onboard Unit 47

Hình 2.10: Phần mềm Linphone 49

Hình 3.1: Máy tính nhúng OBU 54

Hình 3.2: Máy tính nhúng PandaBoard OMAP4 54

Hình 3.3: Hạ nhân hệ điều hành Ubuntu 55

Hình 3.4: Thay đổi tần số hoạt động của các thiết bị OBU 55

Hình 3.5: Thêm giao diện mạng cho Gateway 56

Hình 3.6: Hai giao diện mạng tại Gateway 56

Hình 3.7: Tường lửa khi chưa thay đổi luật 57

Hình 3.8: Tường lửa sau khi thay đổi luật 57

Hình 3.9: Bảng định tuyến trước khi can thiệp 58

Hình 3.10: Bảng định tuyến sau khi can thiệp 58

Hình 3.11: Lệnh ping từ smartphone sang thiết bị OBU 58

Hình 3.12: Lệnh ping từ máy tính nhúng OBU sang smartphonne 59

Hình 3.13: Giao diện chính phần mềm truyền thông đa phương tiện 59

Hình 3.14: Giao diện nhận cuộc gọi đến từ máy tính nhúng (OBU) 60

Hình 3.15: Mô hình mạng Topo chữ X 60

Hình 3.16: Định tuyến động 61

Hình 3.17: Hình ảnh thí nghiệm ngoài phòng lab 61

Hình 3.19: Số lượng gói tin chuyển qua gateway 62

Hình 3.20: Thông lượng thí nghiệm 1 63

Hình 3.21: Thông lượng thí nghiệm 2 63

Hình 3.22: Thông lượng thí nghiệm 3 63

Hình 3.23: Thông số PSNR thí nghiệm 1 64

Hình 3.24: Thông số PSNR thí nghiệm 2 64

MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Kiến trúc layer VANET 10

Bảng 1.2: Các tiêu chuẩn IEEE quy định cho Wireless LAN 15

Bảng 1.3: Bảng so sánh hai chuẩn 802.11a và 802.11p ở lớp vật lý 17

Bảng1.4: Khối điều khiển DSRC 18

MỞ ĐẦU

Ngày nay với xu thế phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin, điện tử viễn thông kết hợp với sự đa dạng và phong phú về phương tiện kỹ thuật đã tạo nên những hình thái phát triển mới nhằm phục vụ cho đời sống con người Việc trao đổi thông tin cả về dữ liệu, âm thanh, hình ảnh cũng như video ngày càng nhiều với yêu cầu chính xác, độ rõ nét cao nên thông tin liên lạc được mở rộng với những lĩnh vực mới có nhiều hứa hẹn cho sự phát triển

Trong một vài thập niên trở lại đây ngành công nghiệp phát triển, một trong các ngành đó phát triển nhất là giao thông vận tải, từ khi ra đời nó đã khẳng định được vị trí của mình trong cuộc sống con người, nó giúp con người tiết kiệm rất nhiều thời gian và sức lực Tuy nhiên cũng phải kể đến vấn đề tai nạn giao thông xảy ra liên tục mà một trong những nguyên nhân lớn là sự chủ quan của các tài xế

và người đi đường Để giải quyết được vấn đề này cần có một hệ thống được tích hợp sẵn trên các xe tham gia giao thông, các thiết bị này phải hoạt động một cách tự động và có thể liên lạc được với nhau để hỗ trợ tài xế một cách tốt nhất Dựa vào các ý tưởng trên hệ thống mạng ad-hoc xe cộ thông minh (VANET-vehicular ad-hoc network) sử dụng sóng tầm gần chuyên dụng DSRC ra đời, nó là một lĩnh vực đang được các nước phát triển nghiên cứu và đưa vào sử dụng nhằm đem lại những hiệu quả trong việc truyền thông đa phương tiện trao đổi thông tin giữa các xe hơi với nhau trên đường cao tốc, nội đô,… cũng như việc cảnh báo va chạm, thông báo sớm cho các xe cộ biết tình trạng giao thông và hệ thống mạng đã được triển khai thử nghiệm ở một số nước như Mỹ, Singapore, Nhật Bản, Hàn Quốc, Ở Việt Nam tuy đề tài này vẫn đang trong quá trình nghiên cứu do khoa học kỹ thuật chưa phát triển, trang thiết bị còn thiếu thốn, nguồn đầu tư còn ít tuy nhiên nó cũng đã được triển khai thử nghiệm ở lĩnh vực thu phí tự động trên đường cao tốc và nó cho thấy trong tương lai sẽ là bước đi đầu tiên của ngành xe cộ thông minh của thế giới

và chúng ta sẽ không khỏi phủ nhận ứng dụng thiết thực của nó như thế nào đối với đời sống con người Do vậy từ những tiềm năng to lớn đó, em quyết định chọn hướng đề tài

“Truyền thông đa phương tiện giữa các xe cộ di chuyển với tốc độ cao sử dụng sóng vô tuyến tầm gần chuyên dụng DSRC” dựa trên nền mạng ad-hoc

VANET là mạng sử dụng kết nối không dây mà không cần tới bất kì một cơ sở hạ tầng cố định nào làm đề tài luận văn của mình

Luận văn được thực hiện dưới sự định hướng và hướng dẫn của TS Phạm Văn Tiến, cùng phối hợp với nhóm Network Coding gồm các bạn Trần Văn Phú, Hoàng Mạnh Hùng - sinh viên Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện Tuy nhiên mặc dù đã cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót cũng như còn những nhiệm vụ chưa đạt được Vì vậy em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy các cô

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Phạm Văn Tiến Thầy là người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, góp ý kiến, cũng như đã tạo điều kiện cho em

có môi trường để thực hiện luân văn Đồng thời em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô Viện đào tạo sau đại học, viện điện tử viễn thông trường đại học Bách Khoa Hà Nội, Cũng như các thành viên phòng lab411 đã giúp đỡ em thực hiện hoàn thành luận văn này

Nội dung nghiên cứu được trình bày trong luận văn này là một phần của đề tài

cấp Bộ: “Nghiên cứu giải pháp phân phối nội dung đa phương tiện trên mạng di

động lưới hỗn hợp sử dụng lý thuyết mã mạng và truyền thông cơ hội” Mã số:

B2013.0143 do TS Phạm Văn Tiến chủ nhiệm

CHƯƠNG 1 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Như chúng ta đã biết ngày nay công nghệ di động ngày càng phát triển và tích hợp vào nhiều các thiết bị nhằm đáp ứng được nhu cầu trao đổi thông tin, kết nối liên lạc ở bất kỳ đâu, hay đang di chuyển trên các tuyến đường giao thông nên

đã thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển mô hình mạng đặc thù và công nghệ chuyên dụng riêng để thực hiện được kết nối Ad hoc VANET là một mạng như vậy vì nó

sử dụng liên kết giữa sóng tầm gần chuyên dụng DSRC và chuẩn IEEE802.11p có thể đáp ứng được những nhu cầu như kết nối liên lạc, trao đổi bằng văn bản, trao đổi bằng hình ảnh, video, âm thanh trên các thiết bị cụ thể ở đây là trên các xe cộ

mà không cần một hệ thống mạng cố định cụ thể nào Trong chương đầu tiên này chúng ta sẽ đi nghiên cứu tổng quan về mạng xe cộ VANET – Vehicular Ad hoc Network và giới thiệu về công nghệ sóng tầm gần chuyên dụng DSRC (Dedicated Short Range Communications) giúp chúng ta hiểu được về mạng đặc thù và công nghệ chuyên dụng này như thế nào

1.1 Giới thiệu chung về Mạng xe cộ VANET – Vehicular Ad hoc Network 1.1.1 Mạng Ad-hoc

1.1.1.1 Khái niệm và một số đặc điểm chung của mạng Ad Hoc

Mạng Ad Hoc là mạng bao gồm các thiết bị di động (máy tính có hỗ trợ card mạng không dây) các thiết bị PDA hay các điện thoại thông minh (smart phone) tập trung lại trong một không gian nhỏ để hình thành lên kết nối ngang hàng (peer-to-peer) giữa chúng Các thiết bị này có thể trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, không cần phải thông qua máy chủ (server) quản trị mạng [4],[8]

Mạng Ad Hoc là mạng mà các nút trong mạng có thể tự thiết lập, tự tổ chức

và tự thích nghi khi có một nút mới gia nhập mạng, các nút trong mạng cần có cơ chế phát hiện nút mới gia nhập mạng, thông tin về nút mới sẽ được cập nhật vào bảng định tuyến của các nút hàng xóm và gửi đi [2] Khi có một nút ra khỏi mạng, thông tin về nút đó sẽ được xóa khỏi bảng định tuyến và hiệu chỉnh lại tuyến, .Mạng Ad Hoc có nhiều loại thiết bị khác nhau tham gia mạng lên các nút mạng không những phát hiện được khả năng kết nối của các thiết bị, mà còn phải

phát hiện ra được loại thiết bị và các đặc tính tương ứng của các loại thiết bị đó (vì các thiết bị khác nhau sẽ có các đặc tính khác nhau ví dụ như: khả năng tính toán, lưu trữ hay truyền dữ liệu trong mạng, ) [8]

Mạng Ad hoc được coi như mạng ngang hàng không dây, trong mạng không

có máy chủ Các thiết bị vừa là máy khách, vừa làm nhiệm vụ của router và vừa làm máy chủ [4],[1]

Vấn đề sử dụng và duy trì năng lượng cho các nút mạng của mạng Ad hoc là vấn đề đáng quan tâm vì các nút mạng trong mạng Ad hoc thường dùng pin

để duy trì sự hoạt động của mình [1]

Tính bảo mật trong truyền thông của mạng Ad hoc là không cao do truyền thông trong không gian sử dụng sóng vô tuyến (radio) nên khó kiểm soát và dễ bị tấn công hơn so với mạng có dây rất nhiều

Việc thiết lập các mạng Ad hoc có thể thực hiện nhanh chóng và dễ dàng lên chúng thường được thiết lập để truyền thông tin với nhau mà không cần phải sử dụng một thiết bị hay kỹ năng đặc biệt nào Vì vậy mạng Ad hoc rất thích hợp cho việc truyền thông tin giữa các nút trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời Tuy nhiên chúng có thể có những nhược điểm về vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều phải nằm trong vùng có thể “nghe” được lẫn nhau [1]

Máy tính cảm ứng

Máy tính xách tay Máy tính xách tay

Hình 1.1: Mô hình mạng không dây Ad-hoc

1.1.1.2 Một số mạng Ad hoc điển hình

Hình 1.2: Mạng Ad-hoc điển hình [7],[21]

Hình 1.2 trên mô tả một mạng Ad hoc đơn giản gồm có 7 nút, các nút mạng

được ký hiệu từ N1 đến N7 Nhìn vào hình vẽ chúng ta có thể dễ dàng thấy được: ở thời điểm t1, các liên kết từ N1 đến N2, N1 đến N4, N2 đến N3, N4 đến N5, N3 đến N7, N2 đến N6 và N6 đến N7 là những liên kết mạnh (good link), còn các liên kết

từ N4 đến N1, N6 đến N2, N5 đến N4 và N7 đến N3 là những những liên kết yếu (weak link) Như vậy ở đây một đặc điểm của mạng Ad Hoc đã được thể hiện rõ

Đó là liên kết giữa 2 nút mạng của mạng có thể không giống nhau dù có chung điểm đầu và điểm cuối Hiện tượng này được gọi là hiện tượng liên kết hai chiều không đối xứng Liên kết từ N4 đến N5 là liên kết mạnh nhưng liên kết từ N5 đến N4 lại là liên kết yếu Điều này là do vị trí an-ten của 2 nút mạng khác nhau, hoặc

do năng lượng phát của các nút mạng trong mạng là khác nhau Tương tự chúng ta cũng có thể thấy N3 có thể nhận tín hiệu từ N2 là một liên kết mạnh nhưng mà N2 lại không thu được tín hiệu từ N3 [19],[21]

Sang đến thời điểm t2, lúc này topo mạng đã thay đổi do các nút di chuyển đến các vị trí khác nhau do đó các liên kết giữa các nút mạng cũng thay đổi theo Lúc này, Ni chỉ có liên kết mạnh với N2, liên kết với N4 lại là liên kết yếu và

Ni không còn thu được tín hiệu từ N4 Liên kết từ N2 đến NS và Nó lại là liên kết mạnh Lúc này, N2 cũng có thể thu được tín hiệu từ NS mặc dù đó là liên kết yếu Điều này ở thời điểm ti là không có [7],[21]

Mặt khác chúng ta cũng có thể thấy hai nút mạng nằm trong vùng phủ sóng của nhau có thể truyền thông trực tiếp cho nhau Ví dụ như trong thời điểm ti, việc

truyền thông giữa hai nút mạng Ni và N4 là trực tiếp với nhau Tuy nhiên ngay cả khi không nằm trong vùng phủ sóng của nhau thì giữa các nút mạng vẫn hoàn toàn

có thể thực hiện việc truyền thông với nhau thông qua các nút mạng trung gian Ví

dụ Ni có thể thực hiện truyền dữ liệu cho Nl thông qua nút mạng trung gian N2 và

NS, còn Nó có thể truyền dữ liệu cho Ni thông qua nút mạng N2

1.1.1.3 Các ứng dụng của mạng Ad hoc

Đáp ứng nhu cầu truyền thông mang tính chất tạm thời: Ở tại địa điểm trong một khoảng thời gian nhất định, giống như trong một lớp học, một cuộc hội thảo hay một cuộc họp, việc thiết lập một mạng mang tính chất tạm thời để truyền thông với nhau chỉ diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn Nếu chúng ta thiết lập một mạng có cơ sở hạ tầng, dù là mạng không dây vẫn rất tốn kém tiền bạc cũng như nhân lực, vật lực, thời gian Do đó, mạng Ad hoc được coi là giải pháp tốt nhất cho những tình huống như thế này [4],[8]

Hỗ trợ khi xảy ra các thiên tai, hỏa hoạn và dịch họa: Khi xảy ra các thiên tai như hỏa hoạn, động đất, cháy rừng ở một nơi nào đó, cơ sở hạ tầng ở đó như đường dây, các máy trạm, máy chủ, có thể bị phá hủy dẫn đến hệ thống mạng bị tê liệt là hoàn toàn khó tránh khỏi Vì thế, việc thiết lập nhanh chóng một mạng cần thời gian ngắn mà lại có độ tin cậy cao và không cần cơ sở hạ tầng để đáp ứng truyền thông, nhằm giúp khắc phục, giảm tổn thất sau thiên tai, hỏa hoạn là cần thiết Khi

đó mạng Ad hoc là một lựa chọn p hù hợp nhất cho những tình huống như vậy Đáp ứng truyền thông tại những nơi xa trung tâm, các vùng sâu, vùng xa: Tại những nơi xa trung tâm thành phố, nơi có dân cư thưa thớt như ở vùng sâu, vùng xa, việc thiết lập các hệ thống mạng có cơ sở hạ tầng là rất khó khăn và tốn kém Vậy ở những nơi này, giải pháp được đưa ra là sử dụng các mạng vệ tinh hoặc mạng Ad Hoc

Tính hiệu quả: Trong một số ứng dụng nào đó, nếu sử dụng dịch vụ mạng có

cơ sở hạ tầng có thể không có hiệu quả cao bằng việc dùng mạng Ad hoc Ví dụ như với một mạng có cơ sở hạ tầng, do được điều khiển bởi một điểm truy cập mạng lên các nút mạng muốn truyền thông với nhau đều phải thông qua nó Ngay cả khi hai

nút mạng ở gần nhau, chúng cũng không thể trực tiếp truyền thông với nhau mà phải chu yển tiếp qua một điểm truy cập trung tâm(Acess Point) Điều đó gây ra một sự lãng phí thời gian và băng thông mạng Trong khi đó, nếu sử dụng mạng Ad-Hoc việc truyền thông giữa hai nút mạng đó lại trở lên vô cùng dễ dàng và nhanh chóng Hai nút mạng gần nhau có thể truyền thông trực tiếp với nhau mà không cần phải thông qua thiết bị trung gian nào khác

1.1.2 Mạng VNET

1.1.2.1 Khái niệm mạng VANET

VANET – Vehicular ad-hoc netwok (mạng di động trong xe hơi) là một phần đặc biệt của Mobile Ad-hoc network Nó là một hệ thống mà trong đó khi các xe tham gia giao thông sẽ được trang bị một thiết bị thu/phát các tín hiệu của các xe lân cận hay như các thiết bị không dây giữa các xe với nhau, các trạm cố định trên các tuyến đường tạo thành một mạng, mọi giao tiếp được thực hiện trong mạng, lúc này chúng sẽ trở thành các nút mạng như mạng Ad-hoc Các xe sẽ liên lạc với nhau (Car-to-Car communication, hay M2M) hệ thống sẽ giúp xe hơi có thể liên lạc với nhau để chia sẻ thông tin lẫn nhau như: Thông tin về giao thông, tình trạng kẹt xe, tắc đường, những tai nạn phía trước hay những cảnh báo về nguy hiểm từ đó có thể trở thành một Relay node để truyền tải thông tin cho các xe khác Hay nó chính là mạng giữa các xe cộ với nhau [2],[24]

Hình 1.3: Mô tả mạng VANET [16],[24]

Hình 1.3 mô tả mạng VANET có thể cung cấp sự an toàn và thoải mái cho

người tham gia điều khiển phương tiện giao thông Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Ad-hoc cho người tham gia giao thông Mạng này hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng, cho phép liên lạc đơn giản Mỗi thiết bị trong mạng VANET sẽ là một nút mạng có thể trực tiếp gửi nhận hoặc làm trung gian trong các phiên kết nối thông qua mạng không dây [2]

VANET sử dụng các công nghệ tiên tiến khi sử dụng hệ thống mạng không dây để kết nối với nhau Những công nghệ này giúp ích rất nhiều trong quá trình phát triển đặc biệt là mạng tùy biến trong xe hơi Những công nghệ này thì được chia làm 2 nhóm chính trong đó có những mạng lưới sử dụng công nghệ có diện tích bao phủ lớn như GSM, GPRS hoặc UMTS có băng thông vừa phải, ngoài ra còn sử dụng những công nghệ có diện tích nhỏ như WLAN với băng thông lớn [25]

VANET sử dụng nhiều kiểu công nghệ di dộng như WiFi IEEE 802.11,

WiMAX IEEE 802.16, Bluetooth, IRA, ZigBee, để dễ dàng trong việc trao đổi, sự

chính xác hiệu quả về thông tin giữa các xe với nhau Hình 1.4

TRẠM CƠ SỞ BÊN ĐƯỜNG

TÌNH TRẠNG KHẨN CẤP

TRUYỀN THÔNG GIỮA CÁC XE CỘ TRUYỀN THÔNG

GIỮA CÁC XE CỘ TỚI TRẠM

Hình 1.4: Mô tả sự trao đổi thông tin giữa các xe trong mạng VANET [17]

Trong trường hợp nếu xảy ra va chạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng VANET tới các phương tiện tham gia giao thông, cùng với các công cụ tiện ích để giúp đỡ việc giải quyết sự cố, đảm bảo

an toàn cho các phương tiện khác Hoặc có thể trao đổi thông tin về tình trạng giao

thông giữa các xe với nhau để đưa ra lộ trình phù hợp nhất

Hình 1.5: Mô tả cảnh báo va chạm giữa các xe khi cùng tham gia giao thông [18]

1.1.2.2 Các loại va chạm trong thực tế

Thực tế các vụ tai nạn xảy ra quá nhiều và hậu quả của nó rất khó lường chủ yếu xảy ra là do các tài xế chủ quan dẫn đến sự va chạm giữa các xe Theo như phân tích thì chúng ta có thể phân loại một số va chạm thường gặp sau:

- Va chạm head-on (va chạm đầu với các loại phương tiện khác)

- Va chạm Rear-end (va chạm sau với các loại xe khác)

- Va chạm side (va chạm mặt với các loại xe khác)

- Va chạm với các đối tượng cố định ( ví dụ như với một cây, ngôi nhà)

- Va chạm với xe đạp

- Va chạm với người đi bộ

- Va chạm với động vật

- Rollovers (không đủ tốc độ trong đường cong)

Khi nghiên cứu một số loại va chạm thì ta thấy mỗi loại va chạm thường có mỗi đặc điểm riêng:

- Va chạm head-on: Thường thấy trong một tình huống vượt Đây là va chạm

nguy hiểm nhất do tốc độ giữa các xe là rất cao Hình 1.6

Hình 1.6: Mô tả Va chạm head-on

- Va chạm rear-end: Thường thấy trên đường cao tốc Đây là loại va chạm từ phía sau nên yêu cầu lái xe phải luôn giữ khoảng cách với xe trước nó Trong hình chiếc xe phía trước cũng nên theo dõi xe phía sau (giao tiếp V2V) Va

chạm rear-end được minh họa như Hình 1.7 sau:

regimes)

Trong Bảng1.1 trên là các lớp của mạng VANET, và được trình bày cụ thể:

- Lớp Vật lý (Physical): Để truyền tin nhắn trong mạng lưới xe với dải tần số dành riêng nhằm tránh sự xung đột tín hiệu của một số thiết bị khác

- Lớp giao thức MAC: Một giao thức xử lý các thông điệp truyền đi và cố gắng tránh va chạm tin nhắn (gửi tất cả các thông tin xe được sử dụng trong các ứng dụng) Bao gồm một tập hợp các quy tắc, để cho một nút biết khi nào để truyền tải tin tức và khi nào không Tin này có một khoảng thời gian tồn tại và trong khoảng thời gian tồn tại, gói tin được truyền đi và truyền lại Sau đó, thông báo bị hủy Giao thức MAC được sử dụng để chống lại sự va chạm vấn đề ở người nhận Các thiết kế của giao thức có mục tiêu để đạt được nhận độ tin cậy cao và độ trễ thấp Ban đầu, người khởi xướng (xe X) lựa chọn của nó đáp trả (xe Y) Trong các kênh kiểm soát, bắt tay bắt đầu từ người gửi bằng cách gửi một đoạn ngắn RTS gói tin đến người nhận dự định Sau đó, người nhận trả lời với một CTS, trong khi người gửi bắt đầu truyền dữ liệu sau khi nhận được gói tin CTS Mục tiêu của bắt tay RTS-CTS là để thông báo cho hàng xóm của người gửi và người nhận cả hai là cũng như để ngăn ngừa việc gửi dữ liệu cho người nhận trước khi nó được sẵn sàng CSMA/CA, nó chỉ làm giảm sự xung đột Sau khi bắt tay, người khởi xướng sẽ gửi các thông tin thực tế và chờ xác nhận từ người trả lời để xác nhận

- Lớp định tuyến (Routing): Để di chuyển một gói dữ liệu từ nguồn tới đích một cách chính xác và an toàn

- Lớp chế độ truyền thông (Communication regimes): Truyền thông tin broadcast đến các xe trong vùng nhận dạng

1.1.2.4 Hệ thống tự trị của VANET

- Hệ thống tự trị có chức năng: Thường xuyên nhận được đèn hiệu từ các xe xung quanh trong phạm vi truyền dẫn Ngoài các thông tin liên lạc không dây còn phát hiện đối tượng bằng radar dựa trên cảm biến [22],[25]

- Kết hợp - hợp tác - hỗ trợ lẫn nhau: Cung cấp một sự an toàn hơn, tự động hơn cho một chiếc xe tham gia vào dòng chảy giao thông Nó cho phép xe tham gia truy cập thông tin mà không làm gián đoạn dòng chảy của lưu lượng Nó giúp loại

bỏ sự hiểu lầm trong điều khiển bằng cách cho phép các phương tiện quyết định cách tham gia dựa trên việc trao đổi thông tin (vận tốc hay vị trí) giữa các xe => đây

là một hệ thống tự động đáng tin cậy, ứng dụng này giúp cải thiện hệ thống giao thông để trở nên an toàn hơn

- Cảnh báo người lái xe nếu có một vụ va chạm với một chiếc xe phía trước, bên cạnh có thể xảy ra

- Hỗ trợ lái xe thay đổi làn đường: Cảnh báo người lái xe trong trường hợp người đó muốn thay đổi làn đường của xe [25]

- Cảnh báo lái xe đi sai đường: Là một hệ thống nhận dạng xe khác lái xe sai đường và cảnh báo người lái xe có vụ va chạm có thể xảy ra…

1.1.2.5 Các ứng dụng trong thực tiễn và hiệu quả của VANET

Một ứng dụng mạng trong xe hơi đòi hỏi giao tiếp không dây sử dụng công nghệ của mạng di động, Hiện nay có nhiều công nghệ trong mạng di dộng như Wireless LAN, mạng di động, mạng tùy biến Tùy theo yêu cầu của ứng dụng chúng ta có thể tùy chọn những công nghệ khác nhau để phù hợp với hệ thống

a Ứng dụng an toàn trong giao thông:

Với việc sử dụng hệ thống trên việc bảo đảm an toàn trong giao thông có thể được thực hiện khá triệt để khi hệ thống sẽ cung cấp cho những vấn đề xảy ra trong quá trình tham gia giao thông như sự chuyển hướng đi lại của một thành viên trong

hệ thống, những làn xe đang chạy hay những tai nạn phía trước sẽ được thông tin đến toàn bộ các xe trong hệ thống giúp các xe có thể xử lí một cách hiệu quả Dưới đây là minh họa sử dụng trong giao thông:

Hình 1.8: Minh họa ứng dụng trong giao thông

- Ứng dụng trong khoa học kỹ thuật quân sự được minh họa như Hình 1.9 sau:

Cấu trúc mạng lưới truyền về

Mạng ad-hoc hoặc Người dùng

di động

Hình 1.9: Minh họa Ứng dụng trong quân sự

Trong hình trên các thiết bị được gắn trên các loại xe quân sự khác nhau có thể trao đổi thông tin liên lạc và truyền thông tin liên lạc tới từng chiến sĩ

- Ứng dụng truyền thông tin qua vệ tinh được minh họa Hình 1.10 sau:

Vệ tinh GPS

Vệ tinh

Nhà cao tầng và đường

Hình 1.10: Minh họa Ứng dụng thông tin vệ tinh

Trong đó các xe có thể trao đổi thông tin với nhau và nhận tín hiệu từ vệ tinh khi đang di chuyển trên các tuyến đường

b Hiệu quả của Vanet:

Từ những thông tin trên chúng ta có thể thấy được hiệu quả của nó cực kì to lớn nếu nó giải quyết được những vấn đề trên

- Hiệu quả về tài nguyên, nhiên liệu và các vấn đề liên quan đến tắc nghẽn giao thông

- Ứng dụng hiệu quả nguồn lực

- Giảm ô nhiễm và bảo vệ môi trường

- Giảm tắc nghẽn giao thông

1.2 Giới thiệu về công nghệ DSRC

Sóng tầm gần chuyên dụng DSRC là một chuẩn tập trung áp dụng vào mạng

xe cộ Vào đầu những năm 1991 vấn đề tử vong do tai nạn giao thông chiếm phần

đa và là một vấn đề nghiêm trọng trên thế giới Như một dấu hiệu cho thấy sự trầm trọng của vấn đề, nên vào đầu năm 1991 thế hệ đầu tiên của hệ thống giao thông thông minh đã ra đời, chương trình áp dụng công nghệ tiên tiến vào cơ sở hạ tầng của giao thông để cải thiện vấn đề an toàn Thế hệ đầu tiên cảu công nghệ sóng tầm gần chuyên dụng DSRC hoạt động ở tần số 915MHz và có tốc độ truyền tin là 0.5Mb/s Nhưng nó mới chỉ áp dụng giới hạn cho các xe thương mại và để thống kê rủi ro xảy ra Thế hệ thứ hai của công nghệ DSRC là vào năm 1997 và nó được thêm tần số hoạt động mới là 75 MHz Cho tới cuối năm 1999 việc phân bổ 75MHz của đường truyền trong 5.9GHz băng thông cho thế hệ thứ hai của DSRC mới được

áp dụng [3],[4]

Từ khi phân bổ và thêm đường truyền thì mới được áp dụng chuẩn hóa và áp dụng rộng rãi ở dải tần 5.9GHz DSRC Nó được áp dụng rộng rãi tại Hoa kỳ, Canada, và Mê-xi-cô nhằm tạo một chuẩn hóa khả năng kết nối để các tài xế có thể nhận được các thông tin cập nhật liên quan tới môi trường xung quanh họ, do đó đã giảm đáng kể các vụ tử vong do tai nạn giao thông Hơn nữa, dải tần 5.9GHz DSRC phải có chi phí thấp và có khả năng phát triển rộng rãi Ngoài ra, Chuẩn 5.9GHz DSRC không thu phí từ người truy cập vào mạng Đây là đặc điểm đặc trưng cảu 5.9GHz DSRC và nó được phát triển và so sánh với tần số 915MHz DSRC Sau đó, được so sánh với các giải pháp của sóng vô tuyến khác và nó đã được áp dụng, phát triển, bổ sung được dùng trong công nghệ DSRC Và cuối cùng, Kiến trúc VANET được mô tả [6],[25]

1.2.1 Khái niệm DSRC

Công nghệ truyền thông tầm gần chuyên dụng DSRC (Dedicated Short Range Communications) thực hiện theo chuẩn 802.11p Đây là một chuẩn truyền thông không dây sử dụng để trao đổi thông tin giữa OBU (On Board Unit) và RSU (Road Side Unit) Với nhiều đặc tính nổi trội như kháng Doppler, công nghệ DSRC thích

hợp với nhiệm vụ truyền thông trong môi trường giao thông với vận tốc cao Để ứng dụng công nghệ này trong thực tế đòi một phần mềm có tính tương thích và tự động cao [25],[4]

1.2.2 Chuẩn 802.11p

IEEE 802.11p là một chuẩn trong họ chuẩn 802.11 nhằm thực hiện giao tiếp không dây trong môi trường giao thông Sự ra đời của nó hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thực hiện các dự án giao thông thông minh (ITS) Chuẩn này hỗ trợ việc truyền thông tin giữa hai phương tiện giao thông di chuyển tương đối với nhau, cũng như giữa phương tiện giao thông với các trạm điều khiển bên đường với dải tần được cấp phép 5.8GHz Chuẩn 802.11p là nền tảng của công nghệ truyền thông tầm gần (DSRC) Tiêu chuẩn IEEE 802.11p là một sửa đổi đã được phê duyệt của tiêu chuẩn IEEE 802.11, thêm truy cập không dây trong môi trường xe cộ Trao đổi dữ liệu giữa các xe tốc độ cao và giữa các phương tiện và cơ sở hạ tầng bên lề đường trong băng tần cấp phép ITS là 5,9GHz (5,85 - 5,925 GHz) 802.11p sẽ được sử dụng như

là nền tảng cho công nghệ DSRC, cho các ứng dụng như thu phí, dịch vụ an toàn

xe, và các giao dịch thương mại thông qua xe ô tô [25],[4]

Bảng 1.2: Tổng hợp các tiêu chuẩn IEEE quy định cho Wireless LAN:

Trong Bảng 1.2 trên thể hiện chuẩn 802.11p được phát triển từ chuẩn 802.11a

sử dụng công nghệ OFDM 802.11p có thêm một số đặc tính: môi trường truyền dẫn luôn luôn thay đổi, sử dụng giao thức gần giống như mạng Ad-hoc, trễ truyền nhỏ, sử dụng tần số riêng Điểm khác biệt cơ bản giữa chuẩn 802.11p với các chuẩn khác trong họ 802.11 là tính di động cao Với các chuẩn khác trong họ 802.11, phải mất một thời gian đủ dài để thiết lập kết nối và nhận gói tin đầu tiên và điều này không phù hợp với môi trường giao thông, khi thiết lập kết nối giữa hai xe cơ giới chuyển động tương đối với nhau Chuẩn 802.11p được nghiên cứu để có những thiết lập cơ bản (Basic Service Set-BSS)nhằm mục đích truyền tin trong môi trường đặc biệt này [4],[8]

Một phương thức truyền tin thuộc loại BSS tối thiểu hóa nhất có thể chức năng của lớp vật lý (MAC layer) Tất cả những phần không cần thiết của khung thông tin đều bị loại bỏ, và chỉ một số nhỏ được giữ lại, gồm có: phần bit mang tin và phần bit chứa thông tin định thời Phần bit mang tin để các trạm kiểm soát giao thông bên đường có thể cung cấp thông tin về dịch vụ Phần định thời phục vụ quá trình đồng

bộ và hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu bằng cách kết hợp các trạm tăng cường (EDCA)

1.2.3 Lớp vật lý của chuẩn 802.11p

Chuẩn 802.11-2007 định nghĩa 3 chế độ của lớp vật lý dựa vào băng thông đó

là 20MHz, 10MHz và 5MHz Các chế độ này được tạo ra bằng cách giảm xung đồng hồ hoặc tốc độ lấy mẫu Chuẩn 802.11a sử dụng chế độ toàn xung đồng hồ với băng thông 20MHz Chuẩn 802.11p thường sử dụng chế độ nửa xung đồng hồ tương ứng với băng thông 10MHz Vậy bằng cách sử dụng tín hiệu chuẩn 802.11a

và giảm xung đồng hồ hoặc tốc độ lấy mẫu chúng ta có thể thực hiện được chuẩn 802.11p ở lớp vật lý [8]

Băng thông: Chuẩn 802.11p sử dụng băng thông 10M nhằm mục đích tăng khả năng chống nhiễu của tín hiệu

Độ rộng sóng mang: giảm đi một nửa so với chuẩn 802.11a Chiều dài một mẫu tín hiệu tăng gấp đôi do đó khả năng chống nhiễu cũng tăng lên

Tần số: chuẩn 802.11p sử dụng băng tần với tần số trung tâm là 5.8GHz và 5.9GHz với độ rộng 700MHz, 900MHz tùy từng khu vực

Các thông số của hai chuẩn 802.11a và 802.11p được tổng hợp và hiển thị

trong Bảng1.3 cho ta thấy rõ sự so sánh của hai chuẩn như sau [8]:

Bảng 1.2: Bảng tổng hợp mô tả so sánh hai chuẩn 802.11a và 802.11p ở lớp vật lý:

IEEE 802.11p Chế độ chạy một

đổi

đổi

Thời gian biến đổi

Khoảng thời gian

Khoảng cách sóng

1.2.4 Đánh giá công nghệ vô tuyến DSRC

Một số giải pháp vô tuyến được đánh giá dùng làm phương tiện giao tiếp chính cho DSRC Một yêu cầu của công nghệ vô tuyến là sự tiềm năng của nó phải đạt được là 100ms hoặc ít hơn, đánh giá thông lượng cao, và có khoảng hoạt động giao tiếp từ 100m tới 1000m Ngoài ra, công nghệ vô tuyến phải hỗ trợ một số chương trình truyền thông khác Đầu tiên, là công nghệ vô tuyến nên hỗ trợ cả giao tiếp một chiều và để xe gửi thông điệp phát sóng và truyền thông hai chiều để hai xe có thể

giao tiếp trao đổi với nhau Hai là, công nghệ cũng phải hỗ trợ cả điểm – tới – điểm gaio tiếp trao đổi với nhau tại nơi có vị trí cụ thể và nối từ một điểm tới nhiều điểm

có thể giao tiếp trao đổi thông tin với nhiều máy thu Ba là, truyền thông một chiều hoặc hai chiều có thể là điểm tới điểm hoặc điểm tới đa điểm [3],[25]

Công nghệ vô tuyến được đánh giá tốt như thế nào dựa vào việc đáp ứng yêu cầu của DSRC Cuối cùng phiên bản cải tiến của 802.11a được chọn làm chuẩn chính cho công nghệ DSRC Một số công nghệ đánh giá khác được tìm thấy không thể chấp nhận vì một lý do nào đó Chẳng hặn như, hệ thống tế bào và hệ thống vệ tinh như một lượng đường truyền đáng kể nhưng nó có quá nhiều sự tiềm tàng rủi ro

để được xem là hữu ích cho một số ứng dụng của DSRC Thêm một nhược điểm của công nghệ tế bào là sự thiếu hỗ trợ phát sóng của bản thân nó Hơn nữa, chi phí của công nghệ vô tuyến phải thấp Trong lúc này vừa công nghệ tế bào vừa công nghệ vệ tinh đều giá thành khá cao, hay khá đắt đỏ Khi so sánh, chi phí của công nghệ vô tuyến DSRC hoàn toàn miến phí vì công nghệ dựa vào mạng kết nối tạm thời Hơn nữa, chi phí cơ sở hạ tầng của DSRC rẻ hơn nhiều so với mạng tế bào và

vệ tinh Và nó được thể hiện trong khối điều khiển DSRC như Bảng 1.4 [8],[4] sau

Bảng 1.3: Khối điều khiển DSRC:

IPV6

1.2.5 Tín hiệu vô tuyến của công nghệ DSRC

DSRC hoạt động qua môi trường truy cập không dây trong hệ thống giao thông (Wireless Access in Vehicular Environments – WAVE) Lớp vật lý đã được

phác thảo theo chuẩn IEEE 802.11p Chuẩn này là một phiên bản sửa đổi của chuẩn 802.11 (theo chuẩn Wifi phổ biến) Chuẩn này được Federal Communications Commission (FCC) phân bổ băng tần ở khoảng 5.85 – 5.925 GHz DSRC chia phạm vi này thành 7 kênh và sử dụng phương pháp phân chia tần số trực giao

OFDM với 4 pilot và 48 sóng mang con dành cho tín hiệu mỗi kênh Hình1.11

Các kênh Biên

Các kênh dịch

Vụ (SCH)

Hình 1.11: Phân chia kênh cho DSRC

Vấn đề xử lý tín hiệu vô tuyến đối với giải pháp công nghệ DSRC phải đối mặt với một số các thách thức kỹ thuật có tác động đáng kể đến hoạt động và hiệu

suất của DSRC Như trên Hình 1.12, phổ dành cho DSRC được cấu hình thành 1

kênh điều khiển (CCH) và 6 kênh dịch vụ (SCHs) Kênh điều khiển được dành riêng để thực hiện những thông tin được ưu tiên hoặc thông tin điều khiển, trong khi

đó thông tin thông thường được truyền đi trên 6 kênh còn lại Các cặp kênh 174,

176 hoặc 180, 182 có thể được kết hợp để tạo thành một kênh 20 MHz

Hình 1.12: Cấu trúc chuỗi tín hiệu của hệ thống DSRC [8],[6]

1.2.6 Phía phát DSRC

Như đã trình bày ở trên, hệ thống DSRC hoạt động dựa trên chuẩn 802.11p là chuẩn mở rộng của chuẩn 802.11a Sơ đồ hệ thống phía phát của DSRC như trên

Hình 1.13

Khối trộn (Interleaving)

Điều chế (Modulation) Khoảng

bảo vệ

Phép biến đổi ngược IFFT

Add CP

Khoảng bảo vệ

Khoảng chèn

Kênh

Hình 1.13: Mô tả Cấu trúc phía phát của hệ thống DSRC [8]

Các khối chức năng xử lý tín hiệu của DSRC sẽ được trình bày như dưới đây:

1.2.6.1 Mã xoắn (Convolutional Encoder)

Mã xoắn hay còn gọi là mã chập được sử dụng cho sửa lỗi chuyển tiếp (Forward Error Correcting - FEC) trong hệ thống truyền thông Các bits mã hóa được xây dựng dựa trên một đa thức sinh hoặc một sơ đồ chuyển trạng thái (trellis) đặc trưng, trong đó mỗi một bit thông tin phải đi qua bộ mã hóa với chiều dài bằng

số bits cuối cùng (Constraints Length - K) [7] Mã chập được mô tả bằng ba tham số

n, k và K, trong đó tốc độ k/n tương đương với tốc độ mã (thông tin trên bit được

mã hóa) của mã khối, tuy nhiên n không được định nghĩa như mã khối hay độ dài từ

mã Tham số K được định nghĩa là độ dài cưỡng bức Độ dài cưỡng bức bằng số nhóm k bit có trên thanh dịch Sau mỗi một nhịp, k bit đầu vào được dịch vào k tầng đầu của thanh ghi dịch, tất cả các bit trong thanh ghi đều dịch k tầng về phía phài và đầu ra của n bộ cộng được lấy mẫu tuần tự để tạo ra các ký hiệu hoặc các bit mã Chuẩn 802.11a đã định nghĩa OFDM PHYS cho công nghệ DSRC và sử dụng

chuẩn với K=7 và [g(1), g(2)] như trên Hình 1.14 [25]

Dữ liệu đầu ra 0

Dữ liệu đầu ra 1

Dữ liệu đầu vào

Hình 1.14: Mô tả Cấu trúc phía phát của hệ thống DSRC [25]

Hình 1.15: Mô tả Bộ trộn Interleaving của DSRC

Bởi thực tế rằng các kênh fadings có thể có những lỗi mất sâu điều đó gây nên các chuỗi lỗi dài hay còn gọi là lỗi cụm (bust errors) Một phương thức được sử dụng tránh lỗi cụm đó là trộn tín hiệu hoặc ở miền thời gian, hoặc ở miền tần số, hoặc ở cả hai miền Trộn bits tín hiệu có tác dụng làm giảm sự tương quan giữa các dòng bits Trong tiêu chuẩn 802.11a, một khối trộn sẽ được dùng trộn chung cho tất

cả các bit dữ liệu được mã hóa Kích thước khối tương ứng với số bit trong một symbol OFDM duy nhất, N-CBPS [3] Khối trộn được xác định bởi hai bước hoán

vị Hoán vị đầu tiên đảm bảo rằng bit mã hóa liền kề được ánh xạ lên sóng mang con không kề nhau Bước thứ hai đảm bảo rằng bit mã hóa liền kề được ánh xạ luân

phiên Phương thức hoạt động của Interleaving được thể hiện như trên (Hình 1.15)

1.2.6.3 Điều chế (Modulation)

Có nhiều kỹ thuật điều chế tồn tại hiện hay trong truyền thông không dây, trong đó điểm mấu chốt của điều chế đó là nén tín hiệu ở một hình thức hiệu quả hơn để sử dụng trong băng tần có sẵn Các mức điều chế cáo (nhiều thông tin hơn trong một tín hiệu điều chế) sẽ dễ bị lỗi hơn do điều kiện kênh Như đã đề cập ở trên, các tiêu chuẩn điều chế dùng cho DSRC là BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM Sau khi điều chế, các ký tự tín hiệu phức sẽ được đánh số từ 0 đến 47 và

được ánh xạ tương ứng lên các sóng mang con của tín hiệu OFDM với 4 ký tự sẽ được dùng làm tín hiệu dẫn đường [3]

Khoảng bảo vệ là một phần cần thiết của tín hiệu truyền tải Đó là một phần

mở rộng vòng của các bít đuôi thêm vào đầu của dòng tin để tránh việc nhiễu liên

ký tự trong miền thời gian Khoảng bảo vệ đặc biệt hữu ích trong việc giúp sửa chữa nhiễu đa đường (multipath fading)

Chiều dài khoảng bảo vệ trong DSRC được chuẩn hóa là3.2 s chiếm 16 ký tự

và 20% chiều dài tổng thể của chiều dài FFT (xem Hình 1.13)

1.2.7 Phía thu DSRC

Ở phần phía thu, cho sự tương thích giữa chuẩn gốc 802.11a và chuẩn chuyển đổi 802.11p, một số chức năng được cải thiện để tránh nhiễu xuyên kênh từ các kênh lân cận Khối đầu tiên trong phía thu được thay đổi đó là khối chuyển tín hiệu

từ nối tiếp sang song song (Serial-to-Parallel - S/P), ở đó tín hiệu được chia ra thành từng mẫu và phần DATA được tách ra khỏi Preamble và được giải điều chế với thuật toán IFFT Sau đó các hệ số kênh sẽ được ước lượng và dựa vào đó Equalizer

sẽ bù kênh để khôi phục những tín hiệu bị fading (Hình 1.16) [7]

Từ kênh Khối chuyển đổi tín hiệu

S/P

Chuyển

mã CP

Biến đổi FFT

Bù tín hiệu

Khoảng bảo vệ P/S

Giải ánh xạ

Khối trộn (khôi phục tín hiệu fading)

Loại bỏ tín hiệu điều khiển

48

Ước lượng kênh

Giải điều chế Viterbi

64 80

Nhị phân đầu ra

Hình 1.16: Mô tả Cấu trúc phía thu của hệ thống DSRC

Phía DSRC nhận cần có khả năng đối phó với các fading tiềm năng do phải hoạt động trong môi trường có các thiết bị di chuyển với tốc độ cao Hơn thế nữa

hiện tượng fading đa đường cũng phải được tính đến trong môi trường đô thị Các phần chức năng của phía thu DSRC như khoảng bảo vệ, ước tính kênh và tín hiệu

bù, FFT, interleaver, và giải mã sẽ được trình bày như dưới đây:

về như tín hiệu lúc gửi đi [26]

1.2.7.2 Giải điều chế và giải mã

Giải điều chế được thực hiện nhằm đưa tín hiệu phức nhận được về dạng nhị phân Sau đó thuật toán Viterbi dùng để giải mã chập theo chuẩn 802.11 Tính ưu điểm vủa việc giải mã của Viterbi, so sánh với việc giải mã trực tiếp, là sự phức tạp của bộ giải mã Viterbi không phải là hàm của số các ký hiệu trong chuỗi từ mã Thuật toán bao hàm tính toán một phép đo tương tự, hoặc khoảng cách giữa tín hiệu nhận được tại thời điểm ti và tất cả trên đương lưới đi đến mỗi trạng thái tại thời điểm ti Thuật toán Viterbi lấy đi tất cả các đường mà không thể thuộc sự lựa chọn cho xác suất hậu nghiệm cực đại Tại hai đường đi đến cùng một trạng thái, chỉ đường nào có khoảng cách mã Hamming được chọn, đường này gọi là đường sống sót Việc thu thập các đường sống sót được thực hiện với tất cả các trạng thái Bộ giải mã tiếp tục theo cách này để tiến sâu vào sơ đồ lưới thực hiện các việc lựa chọn bằng cách loại trừ các đường đó đã làm giảm việc tính toán Cơ sở thuật toán giải

mã Viterbi ở chỗ: Nếu có hai đường trên lưới đến cùng một trạng thái, một trong chúng có thể bị loại ra bơi việc lựa chọn đường tối ưu [21]

1.2.8 Các ứng dụng thực tiễn có thể áp dụng của công nghệ DSRC

Hệ thống điều khiển và thông tin trong giao thông sử dụng công nghệ truyền thông tin DSRC (Dedicated Short Range Communications) là hệ thống thông tin vô tuyến di động cự ly ngắn dành riêng cho các phương tiện giao thông đang di chuyển trên đường Ứng dụng của DSRC có thể liệt kê bao gồm : thu phí điện tử, phí đỗ xe; Quản lý các phương tiện giao thông thương mại và phương tiện giao thông công cộng; Cảnh báo giao thông, hoặc các dịch vụ khác Sau đây chúng tôi sẽ trình bày tóm tắt các ứng dụng có thể triển khai đối với công nghệ DSRC [21],[25]

1.2.8.1 Hệ thống thu phí điện tử

Thu phí điện tử đã và đang được phát triển trên rất nhiều nước trên thế giới Những trạm thu phí tự động được sử dụng nhằm giảm thời gian thu phí đồng thời giảm ùn tắc tại các nút giao thông đông đúc Nguyên lý hoạt động của hệ thống đó

là chủ sở hữu của chiếc xe đang lưu thông sẽ kết nối di động với các trạm thu phí dọc đường mà không cần phải dừng lại trả bằng tiền mặt Các thông tin về chiếc xe cũng như chủ xe sẽ được lưu lại và thu phi thông qua trừ tiền trên thẻ Đây là ứng dụng phổ biến nhất hiện tại của công nghệ DSRC [25]

Hình 1.17: Minh họa hệ thống thu phí điện tử tự động trên đường cao tốc

1.2.8.2 Hệ thống tư vấn giao thông

Mục đích của ứng dụng là cung cấp một nơi tập trung, kiểm soát và theo dõi

hệ thống giao thông Hệ thống còn là một dạng trung tâm phối hợp với các phương tiện tham gia giao thông như VOV giao thông hiện nay Các thông tin sẽ được cập nhật qua người sử dụng DSRC hoặc thông qua các phương tiện truyền thông khác,

được tổng kết tại hệ thống trung tâm đồng thời có thể chia sẻ với mọi người sử dụng nhằm mang đến cho người tham gia giao thông một cách đầy đủ nhất

1.2.8.3 Cảnh báo tắc nghẽn

Hệ thống DSRC trung tâm sau khi tập hợp được các thông tin về tắc nghẽn được gửi trực tiếp từ những người tham gia giao thông, hoặc từ các máy quay cố định sẽ cảnh báo đến những người có thể và nó được minh họa như hình sau:

Hình 1.18: Cảnh báo tắc nghẽn giao thông

1.2.8.4 Kiểm soát an toàn

Hệ thống kiểm soát an toàn được phát triển mạnh mẽ tại những quốc gia phát triển, nơi có hệ thống được cao tốc cao Hệ thống này có thể gửi đến cho người tham gia giao thông về giới hạn tốc độ trên đường, cảnh bảo phía trước có tai nạn, v.v,…

1.3 Kết luận chương

Trong chương này đã trình bày giới thiệu được một cách tổng quan về khái niệm thế nào là mạng Ad-hoc và thế nào là mạng xe cộ VANET (Vehicular ad-hoc network), các đặc điểm, một số mạng đển hình và các ứng dụng có thể triển khai trong thực tế của mạng Ad-hoc VANET có kèm theo hình ảnh minh họa dẫn chứng Đồng thời cũng nêu lên được khái niệm về công nghệ DSRC, chuẩn vật lý dùng trong công nghệ, cấu trúc của công nghệ, đưa ra ý kiến đánh giá về công nghệ DSRC và một số ứng dụng có thể triển khai trong thực tiễn

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH MẠNG AD-HOC VANET ỨNG DỤNG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN BẰNG SÓNG

TẦM GẦN CHUYÊN DỤNG DSRC

Truyền thông đa phương tiện giữa các xe cộ (vehicle-to-vehicle) đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp thông tin tức thời theo yêu cầu người dùng Bởi vì bản chất biến động của kênh vô tuyến và sự năng động của xe cộ trong quá trình duy trì kết nối nên các chuẩn liên kết tiên tiến như DSRC/IEEE802.11p được đề xuất và tích hợp vào hệ thống mạng di động đa chặng giữa các xe cộ (VANET-vehicular ad-hoc network) sử dụng sóng tầm gần chuyên dụng DSRC để hiện thực hóa truyền thông đa phương tiện nên trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu cụ thể về mô hình mạng Ad hoc VANET ứng dụng truyền thông đa phương tiện bằng sóng tầm gần chuyên dụng DSRC như thế nào

2.1 Mô hình mạng Ad-hoc VANET

Như chúng ta đã biết VANET là một phần trong mạng di động nó cung cấp những giao tiếp giữa xe gần đó với những xe trong mạng lưới “Vehicle to vehicle communication (V2V) Systems” và thiết bị cố định ở gần “Vehicle to infrastructure (V2I) Communication” Trong phần này chúng ta sẽ nghiện cứu về mô hình mạng trong VANET đồng thời chúng ta sẽ mô tả sự an toàn khi gửi thông tin trong mạng [8],[25]

2.1.1 Những mô hình hệ thống mạng trong VANET

Máy chủ ứng dụng

Công nghệ truyền thông

Kết nối hữu tuyến

Hình 2.1: Mô hình minh họa mô tả hệ thống mạng trong VANET [26]

Một mạng lưới mạng xe hơi bao gồm 2 tầng hình 2.1 [26] Ở tầng trên bao

gồm các ứng dụng từ máy chủ (ASs) và các điểm nối RSUs Những ứng dụng máy chủ này có thể kết nối với các điểm truy cập thông qua các kênh an toàn, chẳng hạn như lan truyền với các giao thức bảo mật (TLS) với 2 cách kết nối là sử dụng dây hoặc không dây Ứng dụng máy chủ cung cấp dữ liệu cho các điểm truy cập và RSU thì sẽ cung cấp các dữ liệu cho các lớp thấp hơn - ở đây chính là những xe tham gia vào mạng lưới Tất cả các xe và Các RSU thì sẽ được đồng bộ hóa về mặt thời gian, Xe có thể giao tiếp với nhau và cũng có thể giao tiếp với RSU RSU có khả năng tính toán cao hơn và độ tin cậy được xem như là tuyệt đối hơn vì toàn bộ

dữ liệu của RSU đã được ứng dụng máy chủ Ass xử lí và cung cấp

Hình 2.2: Minh họa hệ thống mạng sử dụng VANET

Hình 2.2 trên minh họa một hệ thống mạng sử dụng VANET điển hình bao

gồm các xe, các điểm truy cập trên đường và một tập hợp các máy chủ,Phương tiện

di chuyển trên đường bộ, chia sẻ môi trường thông tin với nhau với các máy chủ thông qua các điểm truy cập

Truyền thông Truyền thông

Truyền thông

Xe cộ

CSDL & cảm biến xe

MT nhúng OBU

Nguồn dữ liệu bất kỳ Nửa thực thể tin cậy

Thực thể tin cậy Quyền đăng ký

Hình 2.3: Mô tả chi tiết về mô hình của hệ thống

Hình 2.3 trên mô tả chi tiết về mô hình của hệ thống Khi một xe đăng kí sử dụng dịch vụ của VANET, hệ thống sẽ cấp một khóa (cách để phân biệt các xe trong hệ thống mạng) để tiện cho việc quản lí thông qua cơ quan kiểm soát (RA) Khi đó cơ quan RA có thể biết được những xe nào đang sử dụng dịch vụ và cũng tạo nên một sự an toàn khi sử dụng dịch vụ Với một xe A được sử dụng hai giao