(Tiểu luận) báo cáo bài tập lớn mạng máy tính đề tài giao tiếp vehicle to everything (v2x)

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MẠNG MÁY TÍNH Đề tài: GIAO TIẾP VEHICLE-TOEVERYTHING (V2X) Sinh viên thực hiện: Giảng viên hướng dẫn: Vũ Mạnh Hà 20192817 Lê Quang Phong 20193052 Nguyễn Văn Trường 20193160 Khương Huy Hoàng 20192867 Dương Minh Trường 20193158 PGS.TS Trần Quang Vinh Hà Nôi, 1/2023 i LỜI MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, giới chứng kiến phát triển không ngừng thông tin di động với cải tiến, công nghệ đại Các công nghệ hệ thứ (4G) hệ thứ (5G) triển khai phổ biến rộng khắp toàn giới với nhiều ưu điểm vượt trội Việc phát triển nhanh chóng thông tin di động tảng to lớn cho phát triển chung khoa học công nghệ kinh tế xã hội Bên cạnh đó, ngành cơng nghiệp tơ có bước phát triển vượt bậc, khơng cịn đơn chế tạo phương tiện phục vụ di chuyển, mà phải phương tiện mang đến nhiều tiện ích cho người, nhiều công nghệ tiên tiến Khái niệm ô tô kết nối xuất gần đây, cung cấp dịch vụ cho người lái xe thông qua liên lạc không dây đặc điểm bật phương tiện hệ Tuy nhiên gia tăng nhanh chóng lượng phương tiện ô tô tiềm ẩn nguy an tồn giao thơng nhiễm mơi trường Trước điều kiện yêu cầu phát triển, nhà nghiên cứu đưa công nghệ giao tiếp Vehicle-to-Everything (V2X) cho phép phương tiện giao thông giao tiếp với phương tiện khác, người bộ, sở hạ tầng Internet V2X sử dụng tảng giao tiếp từ mạng lưới thông tin di động rộng khắp, giúp thông tin liên lạc kết nối thực thể lại với thành mạng lưới từ cải thiện an tồn giao thơng hiệu đường Ngồi ra, V2X cịn có khả cung cấp thông tin hỗ trợ cho nhiều lĩnh vực khác vận tải, du lịch, giải trí, …Với lợi ích tiềm phát triển vậy, nhóm chúng em định lựa chọn đề tài: “Giao tiếp Vehicle to Everything (V2X)” Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Quang Vinh giúp đỡ, quan tâm, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quýbáu hướng dẫn chúng em hồn thành báo cáo này.Vì kiến thức cịn hạn hep ṇ ên báo cáo khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong góp ýcủa thầy để chúng em rút kinh nghiệm hoàn thành tốt ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ .1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ C-V2X 1.1 Giới thiệu chung V2X 1.2 Một số trường hợp, ứng dụng sử dụng V2X 1.2.1 Phân đội (Platooning) .5 1.2.2 Lái xe nâng cao (Advanced driving) .6 1.2.3 Cảm biến mở rộng 1.2.4 Lái xe từ xa 1.3 Các tảng hỗ trợ triển khai V2X .7 1.3.1 V2X dựa công nghệ IEEE 802.11p 1.3.2 LTE-based V2X 1.3.3 NR-based V2X .9 CHƯƠNG 2: KIẾN TRÚC MẠNG VÀ CÁC KHÍA CẠNH GIAO THỨC 12 2.1 Kiến trúc tham chiếu (Reference Architecture) .12 2.2 Sidelink Giao thức truy cập vô tuyến ( Sidelink Radio AccessProtocols) 16 CHƯƠNG 3: KHÍA CẠNH LỚP VẬT LÝ 20 3.1 Sidelink Physical Resources and Resource Pool .26 3.2 Kênh truyền Sidelink lớp vật lý 27 3.2.1 Kênh chia sẻ Sidelink lớp vật lý (PSSCH) 28 3.2.2 Kênh điều khiển slidelink lớp vật lý .29 3.2.3 Kênh phát slidelink lớp vật lý 31 3.2.4 Kênh phát sóng sidelink lớp vật lý (PSPCH) .31 3.3 Tín hiệu slidelink lớp vật lý 32 3.3.1 Tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DM – RS) .32 3.3.2 Tín hiệu đồng 33 CHƯƠNG 4: LỚP 2/3 36 CHƯƠNG 5: VẤN ĐỀ BẢO MẬT CỦA LTE/NR V2X 44 CHƯƠNG 6: THỰC HIỆN VÀ TRIỂN KHAI 46 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các trường hợp sử dụng V2X Hình 1.2 Chế độ giao tiếp LTE-V2X Hình 1.3 Sự phát triển cơng nghệ V2X Hình 2.1 Các tình V2X khác 12 Hình 2.2 Kiến trúc tham chiếu chuyển vùng không chuyển vùng cho giao tiếp V2X dựa vào LTE 13 Hình 2.3 Kiến trúc tham chiếu cấp cao với eMBMS cho giao tiếp V2X dựa LTE 13 Hình 2.4 ví dụ slicing mạng NR V2X 15 Hình 2.5 Các tùy chọn triển khai RSU 16 Hình 2.6 Ngăn xếp giao thức User-plane cho giao tiếp sidelink 17 Hình 2.7 Ngăn xếp giao thức Control-plane cho sidelink broadcast truyền unicast 18 Hình 2.8 Giao diện PC5 cho khám phá sidelink 18 Hình 3.1 Mơ hình giao tiếp trực tiếp - Mode 20 Hình 3.2 Minh họa giao tiếp LTE V2X mode 21 Hình 3.3 Cấu trúc khung C-V2X lược đồ cấp phát tài nguyên 22 Hình 3.4 So sánh LTE V2X mode 23 Hình 3.5 Cơ chế chọn tài nguyên cảm biến tự động UE mode 24 Hình 3.6 Dự trữ tài nguyên cảm biến phục vụ tránh va chạm LTE V2X 25 Hình 3.7 Tiến trình xử lý PSSCH 28 Hình 3.8 Giai đoạn xử lycủa kênh truyền tải SL-BCH 32 Hình 3.9 Cấu trúc C-V2X frame vị trí kênh, tín hiệu vật lý khác 33 Hình 3.10 Cấu trúc khung sidelink LTE V2X 34 Hình 4.1 Cấu trúc lớp sidelink 36 Hình 4.2 Ánh xạ kênh sidelink logic, kênh sidelink vận chuyển kênh sidelink vật lý 37 i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt rd Tiếng Anh Generation Partnership Project 3GPP MAC Medium Access Control RLC PDCP Radio Link Control Packet Data Convergence Protocol SAP STCH UE SL-BCH SL-SCH SL-DCH SBCCH Service Access Point Sidelink Traffic Channel User Equipment Sidelink Broadcast Channel Sidelink Shared Channel Sidelink Discovery Channel Sidelink Broadcast Control Channel HARQ Hybrid Automatic Repeat Request RRC Radio Resource Control LTE LTE RAN Long Term Evolution LTE Radio Access Network SL-RNTI Sidelink Radio Network Temporary Identifier Sidelink-V2X-RNTI SL-VRNTI GNSS Global Navigation Satellite System SIB PLMN System Information Block Public Land Mobile Network SPS Sidelink Semi-persistent Schelduling eNB PDCCH eNodeB Physical Downlink Control Channel Dịch nghĩa Đề án đối tác hệ thứ Kiểm soát truy nhập phương tiện truyền thơng Kiểm sốt kết nối vơ tuyến Giao thức tập hợp gói liệu Điểm truy cập dịch vụ Kênh lưu lượng sidelink Thiết bị người dùng Kênh quảng bá sidelink Kênh chia sẻ sidelink Kênh phát sidelink Kênh điều khiển quảng bá sidelink Yêu cầu lặp lại tự động kết hợp Kiểm sốt tài ngun vơ tuyến Mạng truy nhập vô tuyến LTE Bộ xác định mạng vô tuyến sidelink tạm thời Bộ xác định mạng vô tuyến sidelink cho V2X tạm thời Hệ thống vệ tinh định vị tồn cầu Khối thơng tin hệ thống Mạng di động mặt đất công cộng Lập lịch sidelink bán bền vững Phần tử mạng truy nhập Kênh kiểm soát đường truyền vật lý́ xuống ii PPPP DFN PSCCH CBR PSSCH RB TB TTI MCS PC5 PDU P-UE QoS QCI GBR eMBMS NR D2D ProSe UM LCID ID SCI MSB AMF DSRC RSU ProSe per Packet Priority Độ ưu tiên ProSe gói Direct Frame Number Số khung trực tiếp Physical Sidelink Control Channel Kênh điều khiển sidelink vật lý́ Channel Busy Ratio Xác suất kênh bận Physical Sidelink Shared Channel Kênh chia sẻ sidelink vật lý́ Resource Block Khối tài nguyên Transport Block Khối vận chuyển Transmission Time Interval Thời gian truyền Modulation and Coding Scheme Sơ đồ điều chế mã hoá Proximate radio interface Giao diện vô tuyến PC5 Protocol Data Unit Đơn vị giao thức liệu Pedestrian-UE UE cho người Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoS Class Identifier Kiểm soát chất lượng thông tin Guarantee Bit Rate Tốc độ đảm bảo evolved Multimedia Broadcast Multicast Dịch vụ phát đa phương Service tiện tăng cường New Radio Sóng vơ tuyến Device-to-Device Thiết bị tới thiết bị Proximity-based Services Dịch vụ dựa lân cận Unacknowledged Mode Chế độ chưa báo nhận Logical Channel ID ID kênh logic Identification Định danh Sidelink Control Information Thông tin điều khiển sidelink Most Significant Bit Bit có trọng số cao Access and Mobility Management Function Chức quản lý́ truy nhập di động Dedicated Short-range Communication Giao tiếp khoảng cách gần Road-side Unit Trạm thu phát di động đường iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ C-V2X 1.1 Giới thiệu chung V2X Giao tiếp Vehicle-to-Everything (V2X) việc trao đổi thông tin phương tiện giao thông với môi trường xung quanh như: xe cộ, người bộ, đường xá, thiết bị bên đường Internet người dùng, giúp tăng V2X cung cấp thông tin thời gian thực mơi trường giao thơng cho xe tính an tồn hiệu hoạt động giao thông V2X không hỗ trợ phương tiện có thêm thông tin thúc đẩy đổi ứng dụng cơng nghệ lái xe tự động mà cịn góp phần xây dựng hệ thống giao thơng thơng minh, phát triển phương thức mới, hình thức tơ dịch vụ vận tải Nó có ý́ nghĩa to lớn việc nâng cao hiệu giao thông, giảm thiểu ô nhiễm, tiết kiệm tài nguyên, giảm tỷ lệ tai nạn cải thiện quản lý́ giao thông Giao tiếp V2X xác định theo 3GPP bao gồm bốn trường hợp dụng: vehicle-to vehicle (V2V), vehicle-to-infrastructure (V2I), vehicle-to-network (V2N) vehicle-to-pedestrian (V2P) Hình 1.1 Các trường hợp sử dụng V2X Giao tiếp V2V V2P thường dựa khả phát sóng phương tiện phương tiện người tham gia giao thông (người bộ, người xe đạp), để cung cấp thơng tin vị trí, vận tốc hướng để tránh tai nạn V2I việc trao đổi thông tin phương tiện thiết bị bên đường (road-side unit RSU) Một RSU sử dụng để mở rộng phạm vi thông điệp V2X nhận từ phương tiện cách hoạt động nút chuyển tiếp Quá trình truyền tin V2N thực phương tiện máy chủ ứng dụng V2X đám mây V2N bao gồm giao tiếp xe máy chủ thông qua mạng 4G/5G, chẳng hạn cho hoạt động giao thơng Có hai cơng nghệ V2X bật nay, thiết kế để hoạt động phổ tần 5,9 GHz hệ thống giao thông thông minh (ITS): tiêu chuẩn IEEE 802.11p cellular V2X (C-V2X) Tiêu chuẩn IEEE 802.11p, thường gọi giao tiếp tầm ngắn chuyên dụng (DSRC) Hoa Kỳ hay ITS-G5 Châu Âu Kết hiệu suất IEEE 802.11p cho thấy vài hạn chế: cự ly giao tiếp ngắn, băng thơng vơ tuyến hep,̣ hỗ trợ tính di dộng kém, dịch vụ đa phương tiện hạn chế điều khoản chất lượng dịch vụ linh hoạt Hầu hết xe ô tô ngày trang bị số cảm biến hoạt động bao gồm: camera, radar LIDAR, buộc V2X phải cung cấp phạm vi xa độ tin cậy cao hơn, đặc biệt tình ngồi tầm nhìn thẳng (NLoS) nơi xe cộ khác tòa nhà cản trở hệ thống tầm nhìn xe Từ yêu cầu trên, phát triển từ công nghệ LTE từ thiết bị tới thiết bị (D2D) Rel-12, Rel-14, 3GPP phát triển tiêu chuẩn C-V2X dành cho hệ thống giao tiếp phương tiện dựa tảng mạng di động C-V2X kết hợp hỗ trợ di động LTE mở rộng tiêu chuẩn sở cho ứng dụng ô tô phạm vi, độ tin cậy, … đồng thời học hỏi vấn đề thiếu sót IEEE 802.11p C-V2X phát triển 3GPP thiết kế hoạt động hai chế độ sau: Thiết bị với thiết bị: Chế độ sidelink giúp trao đổi thông tin trực tiếp hai nhiều thiết bị mà tham gia mạng, đám mây Thiết bị với mạng: Mạng hỗ trợ vào trình trao đổi thông tin UE Để đáp ứng yêu cầu ngày nghiêm ngặt độ trễ, phạm vi, tốc độ, độ tin cậy, độ xác vị trí trường hợp sử dụng nâng cao hơn, 3GPP tiếp tục nghiên cứu phát hành tiêu chuẩn LTE-based V2X 3GPP Rel-15, công nghệ NR-based Rel-16 1.2 Một số trường hợp, ứng dụng sử dụng V2X 1.2.1 Phân đội (Platooning) Trong trường hợp này, phương tiện (tự động) tạo thành đội di chuyển hướng, giúp khoảng cách phương tiện giảm đáng kể, tăng khả hiệu đường Nó cải thiện hiệu suất nhiên liệu, giảm tỷ lệ tai nạn nâng cao suất cách cho phép người lái xe thực nhiệm vụ khác Các phương tiện đội phải có khả thường xun trao đổi thơng tin (ví dụ: chia sẻ thơng tin tốc độ hướng phương tiện) gửi thông báo kiện ý́ định phanh tăng tốc Một số khía cạnh đội phải hỗ trợ thơng qua liên lạc V2V đáng tin cậy thông báo gia nhập rời khỏi đội; thông báo cảnh báo hình thành tồn đội để phương tiện gần lựa chọn tham gia đội để tránh gây rối cho đội; liên lạc nhóm hoạt động trạng thái ổn định để hỗ trợ trao đổi tin nhắn quản lý́ đội để phanh, tăng tốc, chọn đường, thay đổi đội trưởng, Sau số yêu cầu giao tiếp V2V để hỗ trợ phân đội: Độ trễ giao tiếp đầu cuối 25 ms nhóm phương tiện (10 ms xe tự lái) Độ tin cậy tin nhắn 90% 99,99% xe tự lái 10-30 tin nhắn giây phát sóng 1.2.2 Lái xe nâng cao (Advanced driving) Xe/RSU chia sẻ liệu thu thập thông qua cảm biến cục với phương tiện gần đó, cho phép phương tiện điều phối đường tránh tai nạn Lái xe nâng cao cho phép lái xe bán tự động hoàn tồn tự động Mỗi phương tiện có chung ý́ định thay đổi đường tốc độ với phương tiện gần, cần phải điều chỉnh khoảng cách phương tiện Các yêu cầu để giao tiếp hai phương tiện sử dụng chế lái tiên tiến bao gồm: Băng thông hệ thống lớn để hỗ trợ truyền tải liên tục gói liệu lớn Độ trễ 10 ms cho mức độ tự động hóa cao Độ tin cậy tin nhắn 99,99% cho mức độ tự động hóa cao 1.2.3 Cảm biến mở rộng Cảm biến mở rộng cho phép trao đổi liệu thô liệu xử lý́ (ví dụ: máy ảnh, radar, lidar) thu thập từ cảm biến xe hình ảnh video trực tiếp phương tiện, đơn vị công trường, thiết bị người máy chủ ứng dụng V2X Từ đó, phương tiện thơng tin điều kiện mơi trường, đường xá ngồi mà cảm biến chúng phát có nhìn bao quát tổng thể điều kiện lái xe Dữ liệu cảm biến mà xe chia sẻ bao gồm từ ảnh chụp nguy hiểm đường đến luồng video thời gian thực Sự sẵn có liệu cảm biến từ nhiều nguồn riêng biệt giúp nâng cao nhận thức tình phương tiện người bộ, cải thiện an tồn đường Các cảm biến mở rộng tiếp tục cho phép tính lái xe hợp tác định vị xác, cần thiết cho việc lái xe tự động 1.2.4 Lái xe từ xa Cho phép người lái xe từ xa ứng dụng V2X điều khiển phương tiện từ xa cho hành khách tự lái xe phương tiện xa nằm môi trường nguy hiểm Trường hợp phù hợp với tuyến đường dự đốn được, chẳng hạn giao thơng cơng cộng, sử dụng tính lái xe dựa điện toán đám mây Độ tin cậy cao độ trễ thấp yêu cầu trường hợp sử dụng Lái xe từ xa cho phép người điều khiển phương tiện ứng dụng dựa đám mây điều khiển từ xa thông qua giao tiếp V2N Sau yêu cầu V2X để hỗ trợ lái xe từ xa: Tốc độ liệu lên đến Mbps đường xuống 25 Mbps đường lên Độ tin cậy cực cao mức 99,999% cao (tương tự trường hợp sử dụng giao tiếp siêu đáng tin cậy tần suất thấp (URLLC)) Độ trễ từ đầu đến cuối ms máy chủ ứng dụng V2X phương tiện Hỗ trợ tốc độ xe cộ lên đến 250 km/h 1.3 Các tảng hỗ trợ triển khai V2X 1.3.1 V2X dựa công nghệ IEEE 802.11p Như đề cập phần trước, phương pháp giao tiếp V2X dựa IEEE 802.11p DSRC Hoa Kỳ; C-ITS Châu Âu ITS Connect Nhật Bản Công nghệ giao tiếp V2X dựa IEEE 802.11p hoàn thiện triển khai số quốc gia Tại Hoa Kỳ, kênh giao tiếp nằm khoảng từ 5,825 GHz đến 5,925 GHz phổ chia thành kênh 10 MHz phân bổ phổ tần Châu Âu chia nhỏthành nhiều phần Tại Nhật Bản, ITS Connect hoạt động băng tần 760 MHz băng thơng MHz từ 755,5 MHz đến 764,5 MHz định cho dịch vụ V2V V2I sử dụng ITS Connect Tiêu chuẩn IEEE 802.11p phát triển phần mở rộng tiêu chuẩn IEEE 802.11a (wifi), chế độ mạng ad-hoc, khơng cần trạm phát wifi Nó tối ưu hóa cho điều kiện di động mà khơng có xuất vật cản, xử lý́ phản xạ đa đường biến đổi nhanh dịch tần Dopler tạo tốc độ tương đối cao tới 500 km/h Cự ly tầm nhìn thẳng (LOS) tới 1km, mục đích V2X quan sát khu vực NLOS, cảm biến xe khơng làm đc điều IEEE 802.11p sử dụng chế đa truy nhập theo giao thức CSMA-CA để giải hiệu mơ hình ứng dụng có mật độ cao 1.3.2 LTE-based V2X LTE-V2X công nghệ giao tiếp không dây dành cho V2X dựa phát triển công nghệ thông tin di động LTE 3GPP xác định, bao gồm hai loại chế độ làm