Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Xây dựng các ứng dụng ITS trong mạng Vanet

Một ứng dụng An toàn giao thông trong mạng VANET dựa trên tiêu chuẩn truy cập không dây trong môi trường giao thông W VE được thiết kế, triển khai, mô phỏng và thử nghiệm trên một kịch b

GIỚI THIỆU

Tổng quan

gày nay, một số lượng lớn các loại xe ô tô tham gia giao thông đã làm tăng sự quan tâm trong việc phát triển các kỹ thuật truyền thông dành cho các phương tiện xe cộ

Theo đó, một vài dịch vụ di động mới với hiệu quả kinh tế, các ứng dụng cho các mạng giao thông đã được đặt dưới sự nghiên cứu và là nền tảng cho hệ thống vận tải thông minh (Intelligent Transportation Systems - ITS) ITS đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu cuốn hút trong nhiều năm hiều công nghệ đã được đề xuất cho ITS nhằm mục đích tăng sự an toàn trên các tuyến đường , vận tải hiệu quả và cung cấp kết nối Internet không dây ở khắp mọi nơi Thêm vào đó là các ý nghĩa truyền thông khác, ch ng hạn các tài xế có thể nhanh chóng cập nhập thông tin giao thông nổi bậc về các tuyến đường với chi phí thấp Với những lý do này, truyền thông vô tuyến dành cho phương tiện giao thông đã trở thành một công nghệ rất quan trọng ác mạng thông tin vô tuyến được chia thành hai dạng là các mạng có cơ sở hạ tầng và các mạng d-hoc Hầu hết các mạng thông tin vô tuyến ngày nay là mạng có cơ sở hạ tầng bao gồm các mạng thông tin di động và mạng L không dây Trong một mạng thông tin vô tuyến có cơ sở hạ tầng, các trạm gốc sẽ quản lý các thiết bị đầu cuối di chuyển trong phạm vi vùng phủ của chúng ặt khác, các mạng di động ETs ( obile d-hoc etworks) được sử dụng và quản lý mà không có một cơ sở hạ tầng được thiết lập trước Thực tế, trong mạng ET các thiết bị đầu cuối liên lạc trực tiếp với các thiết bị khác mà không thông qua một thiết bị quản lý trung tâm

Các mạng MANET hiện tại đang nhận được sự quan tâm đặc biệt trong cả lĩnh vực công nghiệp và giáo dục Chúng là thành phần quan trọng của các mạng thế hệ kế tiếp

Trong khi mạng ET ban đầu được thiết kế cho mục đích quân sự, thì hiện nay các lợi ích trong các kỹ thuật vô tuyến như mạng khu vực cá nhân PAN (Personal Area

Network) (ví dụ: Bluetooth 802.15.1, ZigBee) và mạng L không dây (802.11) đã mang đến một sự thay thế trong việc sử dụng MANET Chúng cho phép hỗ trợ một phạm vi rộng của các ứng dụng thương mại mới trên MANET Bên cạnh các kỹ thuật đã kể trên, truyền thông khoảng cách ngắn DSR (Dedicated Short Range ommunications) đã làm cho việc thông tin liên phương tiện IVC (Inter-Vehicular Communications) và thông tin giữa phương tiện và thiết bị trên các tuyến đường RVC(Road - Vehicle Communications) trở nên khả thi trong các mạng ET iều này đã khai sinh một

3 dạng mới của mạng ET được biết đến như là mạng VANET (Vehicular Ad-hoc Networks).

Mạng VANET là một trường hợp đặc biệt của MANET, cung cấp sự truyền thông giữa các phương tiện gần kề và giữa các phương tiện với các thiết bị cố định gần nó, thông thường được gọi là thiết bị trên đường Chúng giống với mạng MANET với sơ đồ mạng (topology) biến đổi nhanh vì sự di chuyển ở tốc độ cao của các phương tiện Tuy nhiên, không giống như ET tính di động của các phương tiện trong VANET bị ràng buộc chung bởi các tuyến đường được định trước Vận tốc của phương tiện cũng được ràng buộc theo các giới hạn tốc độ, mức độ tắc nghẽn trên tuyến đường và các cơ chế điều khiển lưu lượng (như đ n giao thông) Thêm vào đó, các phương tiện giao thông có thể được trang bị thiết bị phát sóng khoảng cách xa hơn, nguồn năng lượng có khả năng phục hồi, và khả năng lưu trữ cao hơn Do đó, công suất xử lý và khả năng lưu trữ không phải là vấn đề trong mạng V ET như trong mạng ET ùng với sự phát triển hiện tại trong lĩnh vực V ET, một số lượng các ứng dụng cho việc bố trí phương tiện đã được đưa ra ược cho phép bởi các hệ thống tầm ngắn và tầm trung, bao gồm các sự truyền thông V2V (Vehicle-to-Vehicle) và V2I (Vehicle-to- Roadside Infrastructure), các ứng dụng V ET bao gồm các hệ thống an toàn hoạt động trên xe để hỗ trợ các tài xế trong việc tránh va chạm và điều phối họ tại các điểm nóng như tại các giao lộ hay các lối vào đường cao tốc ác hệ thống an toàn có thể phổ biến thông tin tuyến đường một cách thông minh, như các sự cố tắc nghẽn lưu lượng thời gian thực, thu phí đường cao tốc hay điều kiện mặt đường đến các phương tiện trong lân cận vị trí được đề cập iều này giúp tránh việc các phương tiện bị dồn ứ và theo đó cải thiện hiệu suất sử dụng các tuyến đường Bên cạnh các ứng dụng an toàn đã được đề cập, việc truyền thông liên phương tiện IV có thể được sử dụng để cung cấp các ứng dụng tiện ích ch ng hạn như: thông tin thời tiết, vị trí các trạm xăng hay nhà hàng và các ứng dụng truyền thông tương tác như truy cập Internet, tải nhạc và phân phối nội dung ể đưa mạng V ET vào sử dụng trên diện rộng thì một số lượng lớn các thách thức nghiên cứu cần được giải quyết ột trong những vấn đề cấp thiết là việc thiết kế các giải thuật định tuyến có khả năng mở rộng, các giải thuật đó phải đủ mạnh để thích ứng với sự gián đoạn thường xuyên của các đường truyền gây ra bởi sự di chuyển của các phương tiện ác giao thức định tuyến được thiết kế cho ET không phù hợp với các đặc tính riêng biệt của V ET và việc thông tin phương tiện đến phương tiện V2V qua mạng V NET

4 ể cải thiện hệ thống giao thông hiện nay , làm cho các phương tiện và cơ sở hạ tầng ven đường thông minh hơn bằng cách làm cho phương tiện giao tiếp với nhau Khả năng mới này sẽ giúp tìm ra những giải pháp mới cho những vấn đề hiện nay như ùn tắc giao thông, va chạm xe cộ, giám sát việc tuân thủ các quy tắc giao thông và cảnh báo cho các trình điều khiển các điều kiện nguy hiểm ảm bảo an toàn cho cuộc sống của người dân đã trở thành một quan tâm lớn như mật độ xe đang ngày càng tăng và các loại xe hiện nay có khả năng di chuyển nhanh hơn

Hầu hết các xe hiện đại ngày nay đã có mạng thông tin nội bộ cho phép kết nối không dây liền mạch giữa trung tâm điều khiển điện tử của xe và các thiết bị điện tử khác như điện thoại thông minh, hệ thống định vị, tai nghe Bluetooth và phương tiện truyền thông toàn cầu Nhưng một mạng lưới kết nối giữa các xe vẫn không có sẵn Mạng Ad- Hoc xe cộ (VANETs) đều nhằm hướng tới thực hiện điều này VANETs đang nổi lên trong số các mạng xe cộ và cơ sở hạ tầng bên đường, để phục vụ các ứng dụng đó là cải thiện an toàn trên mạng lưới đường và cung cấp phân phối thông tin dữ liệu trên tuyến di chuyển VANETs là một trường hợp của Mobile Ad-Hoc etworks ( ETs) đặc trưng bởi sự thay đổi lớn về mật độ nút, topo mạng, môi trường và di động tốc độ cao IEEE đã phát triển một hệ thống kiến trúc gọi WAVE (truy cập không dây trong môi trường xe cộ), đó là một kết hợp của các tiêu chuẩn IEEE 802.11p và IEEE 1609.x để quảng bá những đặc điểm độc đáo VANET và cung cấp truy cập không dây trong môi trường xe cộ ó được thiết kế để kết nối các thiết bị không dây, để giao tiếp trong một môi trường mạng thay đổi nhanh chóng và trong những tình huống mà các giao dịch dữ liệu nên được thực hiện với số lượng thời gian ngắn hơn Nghiên cứu trong lĩnh vực này đã đạt được kết quả đáng kể trên thập kỷ qua với một số dự án nghiên cứu trên toàn thế giới: Hiệp Hội truyền thông Phương tiện đi lại an toàn (USA), Internet ITS Consortium (Nhật Bản), Network vào dự án Wheels ( ức) và ngăn chặn dự án (Châu Âu )

VANETs mở ra ứng dụng hoàn toàn mới nhằm hướng tới việc cung cấp một kinh nghiệm lái xe được cải thiện, an toàn và hợp tác hơn Ở đây, các ứng dụng có thể được chia thành hai loại: Ứng dụng tiện nghi, mà phục vụ theo hướng nâng cao trải nghiệm của người lái xe và ứng dụng an toàn giúp cải thiện sự an toàn của các trình điều khiển

Những kịch bản lớn của một hệ thống vận tải thông minh sẽ bao gồm không chỉ VANETs, mà nhiều mạng cơ bản kết nối với nhau để hỗ trợ các tính năng khác nhau như thể hiện trong hình 1.1 Các xe sẽ kết nối với các loại xe khác và đơn vị cố định Road Side (RSUs) Các RSU, tín hiệu giao thông, Trung tâm Toll Collection sẽ là một phần của một mạng xương sống mà còn kết nối các trung tâm điều khiển khác nhau như Trung tâm

5 thông tin khẩn cấp, kiểm soát giao thông và Phòng Cảnh sát Phòng Kiểm soát cùng nhau tạo thành một mạng lưới liền mạch

Các ứng dụng an toàn công cộng như tiếp cận các Phương tiện khẩn cấp, cảnh báo tai nạn, cảnh báo sương mù và cảm biến sắp va chạm , mối quan tâm lớn hơn đó là họ làm cho việc sử dụng có ý nghĩa nhất của VANETs Cơ quan an toàn giao thông quốc gia (NHTSA) của Mỹ đã xác định và đặt ra yêu cầu đối với các ứng dụng thông minh ,an toàn cho Phương tiện

Hình 1.1 Hệ thống vận tải thông minh (ITS)

Các ứng dụng được đề cập và nhiều hơn nữa sẽ phải cùng tồn tại trên cùng một mạng và sử dụng tài nguyên chia sẻ để cung cấp cho người sử dụng với tất cả các tính năng hứa hẹn Kiểm tra hiệu quả của các ứng dụng và các tính năng khác có liên quan của VANETs là cần thiết để đưa mạng VANETs ngày càng phát triển Các hành vi phức tạp của phương tiện, tài xế và các mô hình khác nhau được quan sát trong thế giới thực là khó mô phỏng do hạn chế về nguồn lực sẵn có, làm khó khăn nếu thử nghiệm VANETs trong thế giới thực Việc triển khai VANETs ngoài thực tế để quan sát được thực hiện bởi Cottingham, David et al [24], đánh giá hiệu quả của giao thức IEEE 802.11a trong một kịch bản phương tiện di chuyển , bằng cách sử dụng một điểm truy cập không dây, một máy tính xách tay với mạng không dây chuẩn IEEE 802.11a, giao diện và có tính năng

GPS được đặt trong một chiếc xe xem như là một nút di động Tác giả Shen, Yong đánh giá hiệu quả của IEEE 802.11a, 8011.b, các kênh không dây 802.11g trong môi trường xe cộ , sử dụng hai máy tính xách tay đặt trong hai chiếc xe, trang bị hệ thống GPS, với các hạn chế như : tầm nhìn nơi hai chiếc xe vượt qua nhau theo hướng ngược chiều là một trở ngại giữa hai xe ô tô Pierpaolo Bergamo dùng hai chiếc xe ô tô với máy tính xách tay và anten đa hướng để kiểm tra hiệu quả của 802.11b không dây, các mạng di động trong các kịch bản được kích hoạt Singh et J.P al dùng hai máy tính xách tay chạy hệ điều hành linux, có GPS và xe ô tô để kiểm tra hiệu suất mạng WLAN trong điều kiện khó khăn khác nhau trong các kịch bản giao thông Quan sát thấy rằng, trong việc triển khai như vậy số lượng xe bị giới hạn và chỉ có một vài tình huống có thể được khôi phục thành công làm cho khó để thử nghiệm một ứng dụng mà đòi hỏi một số lượng lớn các loại xe có mặt trong các kịch bản thử nghiệm

Các ý kiến khác đưa ra cho các cộng đồng nghiên cứu là: ể mô phỏng mạng VANETs chúng ta sẽ sử dụng một công cụ mô phỏng mạng di động Công cụ mô phỏng này sẽ sử dụng các mô hình đã được xây dựng sẵn về mô phỏng sự chuyển động của các nút và sử dụng một mô mình mô phỏng lưu lượng chuyên dụng để mô tả lưu lượng cho các luồng xe di chuyển Việc kết hợp hai mô hình này với nhau sẽ tạo ra mô hình lưu lượng xe di chuyển theo các hướng khác nhau gần giống với mô hình giao thông trong thực tế ể kiểm tra đầy đủ về một ứng dụng, nó cần phải được thử nghiệm trong một môi trường mô phỏng thực tế với khả năng tương tác giữa tất cả các mạng khác nhau iều này có thể đạt được bởi một thử nghiệm mô phỏng bằng phần mềm, mô phỏng này được xây dựng đáp ứng được các yêu cầu như:

 Mô tả thực tế các hành vi của phương tiện

 Mô hình mạng VANET , các giao thức được sử dụng

 Sự linh hoạt và phát triển thêm các ứng dụng mới

 Nội dụng của luận văn

Mục tiêu của luận văn này là thu thập yêu cầu thiết kế, thực hiện và thử nghiệm một ứng dụng an toàn cho phương tiện lưu thông trong mạng VANET sử dụng giao thức truyền thông khoảng cách ngắn trong môi trường giao thông ( WAVE) và kiểm tra khả năng mở rộng của ứng dụng trong thực tế Các mô hình mô phỏng phản ứng của các xe theo giống với hành vi của con người như ứng dụng : nhường đường cho các xe đi qua , thay đổi làn đường, giảm tốc độ xe , dừng xe ở khoảng cách an toàn, chủ động thay đổi dòng di chuyển của lưu lượng giao thông trên nền thử nghiệm mô phỏng Hai ứng dụng mô phỏng trong luận văn này là:

TỔNG QUAN HỆ THỐNG VẬN TẢI THÔNG MINH

Hệ thống vận tải thông minh

Sự kết nối mạng các phương tiện giao thông phục vụ như một trong những công nghệ khả dụng quan trọng nhất được yêu cầu để thi hành vô số các ứng dụng liên quan đến các phương tiện giao thông, tài xế, hành khách, và người đi bộ Các ứng dụng này mới lạ và là các mục tiêu lâu dài của các nhóm nghiên cứu và các công ty Hệ thống giao thông vận tải thông minh (ITS) nhằm mục đích để sắp xếp các hoạt động của các phương tiện giao thông, quản lý giao thông, hỗ trợ các tài xế với sự an toàn và thông tin khác, cùng với việc cung cấp các ứng dụng thuận tiện cho các hành khách đã không còn giới hạn trong các phòng thí nghiệm và các cơ sở kiểm thử của các công ty Các ví dụ chính của các dịch vụ như vậy bao gồm các hệ thống thu phí tự động, các hệ thống hỗ trợ tài xế và các hệ thống cung cấp thông tin khác Hoạt động cơ sở này cũng đã được hỗ trợ bởi những nỗ lực phối hợp để chuẩn hóa và hình thành của các tập đoàn, và cơ quan chính phủ và công nghiệp khác nhằm mục đích để thiết lập các nguyên tắc hướng dẫn, các yêu cầu, và các kết quả đầu tiên trên các giải pháp cho các hệ thống truyền thông mà chủ yếu bao gồm các phương tiện và những người sử dụng bên trong các phương tiện đó

Sự cuốn hút xung quanh việc kết nối mạng các phương tiện giao thông không chỉ vì các ứng dụng và các lợi ích tiềm năng của chúng, mà còn vì các thách thức và quy mô của các giải pháp Trong số những thách thức kỹ thuật cần được khắc phục tính di động cao của các phương tiện, phạm vi rộng của các tốc độ tương đối giữa các nút, tính chất thời gian thực của các ứng dụng và vô số các yêu cầu liên quan đến hệ thống và ứng dụng có thể được liệt kê ra Ngoài ra, sự xem xét các ứng dụng ITS đòi hỏi thông tin phải được chuyển tiếp qua nhiều bước giữa các ô tô Các mạng phương tiện giao thông đang sẵn sàng để trở thành các mạng ad-hoc được phân phối rộng rãi nhất và qui mô rộng lớn nhất

Những thách thức và cơ hội đó như là nền tảng của sự quan tâm rộng rãi trong việc kết nối mạng phương tiện giao thông của các cơ quan chính phủ,giáo dục, và công nghiệp như Toyota, BMW, và Daimler-Chrysler Hệ thống hỗ trợ điều khiển tiên tiến ADASE2 (Advanced DriverAssistance Systems), Hợp tác theo luật phòng tránh tai nạn CAMP (Crash Avoidance Metrics Partnership), Lái xe tại châu Âu (Chauffeur in EU), CarTALK2000, FleetNet, California PATH (California Partners for Advanced Transit andHighways), DEMO 2000 bởi Viện Nghiên cứu ô tô Nhật Bản JSK (Japan Automobile Research Institute) là các dự án quan trọng, một bước tiến lớn trong việc thực hiện các dịch vụ giao thông thông minh ITS

Các chuẩn IEEE 802

Các giao thức WLAN IEEE 802.11 là một phần của dòng IEEE 802 là dòng chuẩn hóa mạng cục bộ (LAN) và mạng đô thị (WAN) Dòng IEEE 802 có một lớp điều khiển liên kết lôgic LL (Logical Link ontrol) chung, được chuẩn hóa trong IEEE 802.2 Lớp trên của LLC là lớp mạng ( etwork) thông thường là IP (Internet Protocol) với các giao thức định tuyến của nó như ODV hay DSDV cho mạng Ad-hoc

Các giao thức định tuyến IP Session

Hình 2-1: Mô hình phân lớp OSI

Bên dưới LLC, lớp MAC (Media Access Control) và lớp vật lý tương ứng (PHY) được đóng gói với nhau trong cùng một nhóm chuẩn con Có nhiều nhóm chuẩn con tồn tại cho Ethernet và mạng L không dây được đặc trưng trong 802.11

IEEE802.2 Logical Link Control (LLC)

Hình 2-2: 802 LLC, MAC và PHY.

Chuẩn IEEE 802.11

Chuẩn IEEE 802.11 đặc trưng cho cả lớp vật lý và lớp điều khiển môi trường truy cập Nhiều sự mở rộng đã được thêm vào IEEE 802.11 nhằm cải tiến lớp MAC hoặc lớp vật lý Những sự mở rộng lớp MAC chủ yếu nhằm cải tiến sự bảo mật hoặc chất lượng dịch vụ (QoS) Những sự mở rộng lớp vật lý chủ yếu định nghĩa lại cách thức lớp vật lý hoạt động Trong thực tế, chúng là một sự thay thế hơn là một sự mở rộng Tổng quan cấu trúc của IEEE 802.11 được cho như trong hình bên dưới:

Hình 2-3: Lớp MAC và lớp Vật lý [36]

Một danh sách đầy đủ của tất cả sự mở rộng IEEE 802.11 có thể được tìm thấy như sau:

IEEE 802.11 a 5GHz OFDM PHY – 54 Mbps IEEE 802.11 b 2.4 GHz CCK PHY – 11 Mbps IEEE 802.11 c ài đặt cầu nối 802.11

IEEE 802.11 d Chuyển vùng quốc tế IEEE 802.11 e Sự cải tiến QoS IEEE 802.11 f Giao thức liên AP IEEE 802.11 g 2.4 GHz OFDM PHY – 54 Mbps IEEE 802.11 h Sự mở rộng qui định 5 GHz IEEE 802.11 i Sự cải tiến bảo mật

IEEE 802.11 j Sự mở rộng băng tầng 5 GHz Nhật Bản IEEE 802.11 k Sự đo lường tài nguyên vô tuyến

IEEE 802.11 m Sự bảo trì IEEE 802.11 n PHY thông lượng cao IEEE 802.11 p Truy cập vô tuyến trong môi trường giao thông IEEE 802.11r Chuyển tiếp BSS nhanh (FT)

IEEE 802.11s Tập dịch vụ mở rộng

Môdun Điều Khiển MAC (Sync, Beacon)

Sự phân đoạn Ghép đoạn

Chức năng điều tiết (PCF, DCF) SIFS, PIFS, DIFS,

EIFS, CSMA/CD IEEE 802.11i – Cơ chế bảo mật

IEEE 802.11u Những cải tiến liên quan đến HotSpot IEEE 802.11v Quản lý mạng vô tuyến

IEEE 802.11w Các khung quản lý được bảo vệ IEEE 802.11y Vận hành 3650 – 3700 MHz tại Hoa Kỳ IEEE 802.11z Sự mở rộng thiết lập kết nối trực tiếp DLS IEEE 802.11aa Tạo luồng mạnh cho luồng vận chuyển video và âm thanh IEEE 802.11ac Cải tiến dựa trên 802.11n, thông lượng cao IEEE 802.11ad Thông lượng cao 60 GHz

IEEE 802.11ae ộ ưu tiên của các khung quản lý IEEE 802.11af TV Whitespace

Bảng 2-1: Tổng quan của các chuẩn IEEE 802.11 [37]

2.3.1 Các mô hình hoạt động

Các chuẩn IEEE 802.11, đặc trưng hai cách thức khác nhau để cấu hình một mạng: ad-hoc và cơ sở hạ tầng ô hình cơ sở hạ tầng thông thường các điểm truy cập mạng được cố định đối với các nút di động có thể thông tin ác điểm truy cập mạng đó thông thường được kết nối đến các đường truyền mặt đất để mở rộng dung lượng của mạng LAN bởi việc bắt cầu giữa các nút không dây đến các nút có dây khác Nếu phạm vi phục vụ của các điểm truy cập chồng lấn lên nhau, các nút di động có thể được chuyển giao giữa chúng Cấu trúc này tương tự với mạng di động ngày nay trên thế giới

Hình 2-4: Mô hình mạng vô tuyến có hạ tầng cố định

Trong một mạng ad-hoc, các máy tính được kết nối với nhau thành dạng của một mạng “tức thời” hư biểu diễn trong Hình 2-5, không có một cấu trúc cố định cho mạng,

13 không có các điểm cố định và thông thường mỗi nút có khả năng truyền thông với từng nút khác trong phạm vi thông tin của nó Ch ng hạn như các mạng MANET.

Hình 2-5: Mô hình mạng WLAN Ad-hoc gười ta có thể nghĩ về một sự kết hợp hai mô hình đó thành một cấu trúc mạng lai hư vậy nó có thể bổ trợ việc truy cập Internet với một số lượng lớn các nút di động với chỉ một vài trạm gốc Hiện tại có một vài đề xuất về chuẩn cho một mạng lai như vậy sẽ được đề cập chi tiết trong chương kế tiếp của Luận văn

Phiên bản đầu tiên của chuẩn IEEE 802.11 được phát hành vào năm 1997 và được làm rõ vào năm 1999, nhưng hiện tại đã bị dỡ bỏ ó đặc trưng hai tốc độ mạng là 1 bps và 2 bps được phát qua tín hiệu hồng ngoại hoặc trong băng tần công nghiệp, khoa học, và y tế ISM (Industrial, Scientific and Medical) tại tần số 2.4 GHz Mã hóa được sử dụng là DPSK (Differential Phase Shift Keying) cho 1 Mbps và DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying) cho 2 Mbps Chuẩn IEEE 802.11 ban đầu nhanh chóng được nối tiếp bởi IEEE 802.11b

Chuẩn IEEE 802.11a sử dụng băng tần 5 GHz, hoạt động tại tốc độ 54 Mbps, và tốc độ thực tế vào khoảng 20 Mbps Tốc độ được giảm đến 48, 36, 34, 18, 12, 9 và 6 Mbps nếu được yêu cầu IEEE 802.11a có 12 kênh không chồng lấn, 8 kênh được dùng cho trong nhà và 4 kênh được sử dụng cho truyền thông điểm – điểm IEEE 802.11a có thể không được chấp nhận rộng rãi bởi vì việc sử dụng của chuẩn IEEE 802.11b, và việc liên quan đến việc sử dụng băng tần 5 GHz

IEEE 802.11b có phạm vi hoạt động đến vài trăm mét với các ăng ten đ ng hướng độ lợi thấp được sử dụng trong các thiết bị IEEE 802.11b IEEE 802.11b có tốc độ dữ liệu tối đa là 11 bps Tuy nhiên, phần lớn băng thông này được sử dụng cho phí tổn điều khiển

14 truyền thông; trong thực tế thông lượng tối đa vào khoảng 5.5 Mbps Các thiết bị sử dụng IEEE 802.11b chịu sự giao thoa từ các sản phẩm khác hoạt động trong băng tần 2.4 GHz

Các thiết bị hoạt động trong dãi 2.4 GHz bao gồm lò vi sóng, thiết bị Bluetooth, điện thoại không dây, và một số thiết bị vô tuyến cầm tay

Trong tháng 6 năm 2003, một sự mở rộng lần thứ ba với lớp vật lý đã được thông qua: IEEE 802.11g Chuẩn IEEE 802.11g hoạt động ở băng tần 2.4 GHz như IEEE 802.11b, nhưng sử dụng cơ chế truyền dựa trên OFDM tốc độ bit lớp vật lý tối đa lên đến 54 Mbps hay khoảng 22 bps thông lượng trung bình Phần cứng 802.11g hoàn toàn tương thích với phần cứng IEEE 802.11b

Chuẩn IEEE 802.11g đã nhanh chóng được chấp nhận bởi những người sử dụng bắt đầu từ tháng một năm 2003 trước khi phê chuẩn với mong muốn về tốc độ dữ liệu cao hơn và giảm chi phí sản xuất ùa h năm 2003, hầu hết các sản phẩm hai băng tần IEEE 802.11a/b trở thành hai băng tần/ba chế độ, hỗ trợ a và b/g trong một card chuyển tiếp di động đơn hay điểm truy cập (Access Point) Hiện nay các phần cứng hỗ trợ IEEE 802.11g đã khả dụng hầu như từ tất cả các nhà sản xuất; tuy nhiên cũng giống như IEEE 802.11b, các thiết bị IEEE 802.11g chịu sự giao thoa từ các sản phẩm khác hoạt động trong băng tần 2.4 GHz, ch ng hạn như bàn phím không dây

Chuẩn IEEE 802.11n là một sự sửa đổi cải tiến theo các chuẩn IEEE 802.11 trước đó bởi việc thêm vào các ăng ten I O ( ultiple-Input Multiple-Output) IEEE 802.11 hoạt động trên cả hai băng tần 2.4 GHz và 5 GHz, việc hỗ trợ băng tần 5 GHz là tùy chọn

IEEE 802.11n hoạt động với tốc độ dữ liệu mạng tối đa từ 54 bps đến 600 Mbps IEEE đã chấp thuận sự sửa đổi và nó được phát hành vào tháng 10 năm 2009 Trước khi sự phê chuẩn cuối cùng, các hãng sản xuất đã sẵn sàng chuyển sang các mạng 802.11n dựa trên sự chứng nhận của Wi-Fi Alliance của các sản phẩm tuân theo một bản nháp 2007 của sự đề xuất 802.11n

Kiến trúc và các tiêu chuẩn của hệ thống vận tải thông minh

Trong phần này thảo luận các kiến trúc và các tiêu chuẩn quan trọng kết nối mạng các phương tiện giao thông tại Hoa Kỳ, Nhật, và Châu Âu Các tiêu chuẩn được phân nhóm theo các khu vực chủ yếu vì các ràng buộc chung và các qui định mà chúng phải tuân theo Trong mỗi nhóm, các nỗ lực chuẩn hóa và các kiến trúc được giới thiệu cùng với sự áp dụng Cấu trúc này cũng giúp xác định các bài học khác nhau của các phương pháp tiếp cận để giải quyết các vấn đề trong hệ thống vận tải thông minh ITS tại các nơi khác nhau trên thế giới

2.4.1 Kiến trúc và các tiêu chuẩn tại Hoa Kỳ ăm 1991 Quốc hội Hoa Kỳ thông qua ạo luật hoạt động hiệu quả giao thông vận tải mặt đất ISTEA (Intermodal Surface Transportation Efficiency Act) yêu cầu việc tạo ra chương trình các Hệ thống cao tốc phương tiện thông minh IHVS (Intelligent Vehicle Highway Systems) Các mục đích của chương trình này là để tăng sự an toàn và hiệu quả lưu thông, và giảm sự ô nhiễm và bảo tồn nhiên liệu hóa thạch trong khi các phương tiện sử dụng cơ sở hạ tầng đường xá quốc gia Sở Giao thông vận tải Hoa Kỳ DOT (Department of Transportation) nhận trách nhiệm cho chương trình IHVS, tìm kiếm sự hợp tác của Hiệp hội vận tải thông minh của Hoa Kỳ ITSA (Intelligent Transportation Society of America) Việc nghiên cứu và cải tiến gắn liền với DOT được quản trị và quản lý bởi Quản trị nghiên cứu và sáng tạo công nghệ RITA (Research and Innovative Technology Administration) ăm 1996, một khung làm việc, được ký hiệu là NITSA (National Intelligent Transportation System rchitecture) đã được phát triển trong đó các dịch vụ IHVS có thể được lập hoạch định và tích hợp.Các dịch vụ IHVS hiện tại được biết đến như là Hệ thống Vận tải thông minh ITS ITS đã hỗ trợ việc sử dụng thông tin vô tuyến cho sự thi hành của nhiều dịch vụ ITS Các dịch vụ ITS đầu tiên, ch ng hạn như thu phí tự động, đã sử dụng một băng tần giữa 902 Hz và 928 Hz Băng tần này là quá nhỏ, do đó, năm 1997 ITS đã kiến nghị Ủy ban Truyền thông Liên bang FCC (Federal Communications Commission) cho một băng thông tần số 75 MHz trong dãi tần số 5.9 GHz, nhằm mục đích hỗ trợ Thông tin liên lạc khoảng cách ngắn chuyên dụng

DSRC Việc phân bố đối với phổ tần vô tuyến ITS dựa trên DSR đã được cấp phép vào năm 1999, với băng thông 75 MHz trong 5.85-5.925 GHz ến năm 2002 ITS bắt đầu vận động để thuyết phục FCC về vấn đề cấp phép DSR , các qui định dịch vụ và các công nghệ khả thi đối với băng tần DSR ặc biệt, nó đã được đề nghị để áp dụng một chuẩn duy nhất đối với các lớp vật lý và giao thức truy cập môi trường và được đề xuất sử dụng một tiêu chuẩn được chỉ định bởi Hiệp hội Kiểm nghiệm và Vật liệu Hoa Kỳ ASTM (American Society for Testing and Materials) như trong Hình 2-6 ặc điểm kỹ thuật này đã được định rõ trong ASTM E2213-02, dựa trên IEEE 802.11 F đã phê chuẩn đề

18 xuất này trong năm 2003-2004 Nhóm làm việc IEEE p, đã bắt đầu trong năm 2004, phát triển một sự sửa đổi chuẩn IEEE 802.11 để bao gồm các môi trường phương tiện giao thông, dựa trên ASTM E2213-02 Bản sửa đổi này hiện tại được biết đến như IEEE 802.11p Nhóm làm việc IEEE 1609 bắt đầu xác định các lớp bổ sung của bộ giao thức

Các tiêu chuẩn đó là: IEEE 1609.1, IEEE 1609.2, IEEE 1609.3, IEEE 1609.4 Sự kết hợp của IEEE 802.11p và bộ giao thức IEEE 1609 được ký hiệu là WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments)

Hình 2-6: Các thông số băng tần DSRC tại châu Âu, Bắc Mỹ, và Nhật Bản

Một chuẩn ITS khác đang hoạt động tại Hoa Kỳ là Hội kỹ sư ô tô quốc tế SAE (Society of Automotive Engineers) SAE hoạt động trong nhiều lĩnh vực khác nhau Một trong những lĩnh vực đó là chuẩn hóa SAE, hợp tác với nhóm làm việc IEEE 1609, đang thực hiện việc chuẩn hóa định dạng bản tin có thể được sử dụng bởi các giao thức IEEE 1609

Kiến trúc ITS của Hoa Kỳ bao gồm các thành phần mạng như sau: 1) thiết bị trên xe OBE (On Board Equipment), 2) thiết bị trên đường RSE (Road-Side Equipment), nút phân phối dịch vụ SDN (Service Delivery Node), 4) trung tâm vận hành mạng doanh nghiệp ENOC (Enterprise Network Operation Center), 5) ủy quyền chứng nhận CA (Certificate Authority)

Hình 2-7: Kiến trúc ITS của Hoa Kỳ

WAVE là bộ giao thức được sử dụng bởi kiến trúc này Các lớp giao thức được sử dụng trong bộ giao thức này được tóm tắt như sau:

 IEEE 1609.1: “Quản lý tài nguyên – Mô tả các dịch vụ và các giao diện, bao gồm bảo mật và các cơ chế bảo vệ sự riêng tư, kết hợp với quản lý tài nguyên DSRC hoạt động tại băng tần 5.9 GHz được chứng thực bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang Mỹ FCC và thỏa mãn các yêu cầu thông tin vô tuyến ITS” Mô tả một ứng dụng cho phép sự tương tác của một OBE với các nguồn tài nguyên máy tính hạn chế và xử lý phức tạp thực hiện bên ngoài OBE để cung cấp sự diễn giải mà ứng dụng đang chạy trên OBE

 IEEE 1609.2: “ ác dịch vụ bảo mật cho các ứng dụng và các bản tin quản lý – ịnh nghĩa các định dạng bản tin bảo đảm và việc xử lý các bản tin bảo đảm, trong hệ thống DSR /W VE”

 IEEE 1609.3: “ ác dịch vụ kết nối mạng – ịnh nghĩa các dịch vụ hoạt động tại lớp mạng (Network) và lớp vận chuyển (Transport), hỗ trợ các kết nối vô tuyến

V2V (Vehicle to Vehicle) và V2I (Vehicle to Infrastructure) sử dụng mô hình DSR /W VE 5.9GHz”

 IEEE 1609.4: “ huẩn sử dụng thử cho WAVE – Các sự thi hành đa kênh”

 IEEE 802.2: “ huẩn định nghĩa điều khiển liên kết lôgic LLC (Logical Link Control)”

 IEEE 802.11p: “ ác đặc tính kỹ thuật lớp MAC và lớp vật lý mạng cục bộ không dây – Bản sửa đổi cho W VE”

Hình 2-8: Bộ giao thức WAVE [1]

2.4.2 Kiến trúc và các tiêu chuẩn tại Nhật Bản

Trong kiến trúc ITS được sử dụng trong dự án“Smartway” tại Nhật Bản, được sử dụng như một ví dụ điển hình Một thiết bị trên xe OBU (On-Board Unit) cung cấp các chức năng giống như OBE được sử dụng trong kiến trúc ITS của Hoa Kỳ ặc biệt, đó là tính năng xử lý và truyền thông được đặt trong xe và nó cung cấp ứng dụng thời gian thực, chức năng định vị, bảo mật, và các chức năng truyền thông và giao tiếp với các phương tiện và đối tượng khác ác đối tượng đó có thể là các máy chủ trung tâm được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ để giao tiếp với các OBU sử dụng công nghệ di động RSU đại diện cho các thiết bị trên đường cung cấp các chức năng tương tự như RSE được sử dụng trong kiến trúc ITS của Hoa Kỳ RSU được phân bố dọc theo các cao tốc, nút giao thông và ở những nơi cần thông tin liên lạc kịp thời Chức năng chính của nó là cung cấp sự hỗ trợ truyền thông đến các OBU thông qua liên kết thông tin vô tuyến DSR 5.8 GHz để liên lạc với các đối tượng mạng, ch ng hạn như các máy chủ và các hệ thống định vị ô tô được sử dụng bởi các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà quản lý đường bộ, ở xa và đang sử dụng các cơ sở hạ tầng Internet

Hình 2-9: Kiến trúc ITS Smartway định vị, tìm đường, và truyền thông[1]

Hệ thống cảnh báo lái xe Smartway đã được chứng minh thành công trong thử nghiệm trên các tuyến đường công cộng năm 2004 và 2005 ác Smartway OBU đã được giới thiệu công khai trong tháng 2 năm 2006, trong khi các dịch vụ thông tin điều khiển và cảnh báo Smartway đã đi vào hoạt động trong mùa h năm 2006

2.4.3 Kiến trúc và các tiêu chuẩn tại châu Âu

Tổ chức chuẩn hóa quốc tế (ISO) T 204 WG16 đang phát triển một dòng các chuẩn quốc tế và kiến trúc của truy cập thông tin liên lạc cho di động mặt đất CALM (Communications Access for Land Mobiles) Hệ thống L tương lai được mong đợi sẽ sử dụng một phạm vi rộng các công nghệ bao gồm vệ tinh, mạng di động tế bào (GSM,

3G và 4G/WiMAX), mạng nội bộ không dây WLAN, và sự phát triển truy cập vô tuyến trong môi trường phương tiện giao thông WAVE (IEEE802.11 và IEEE1609), mạng vô tuyến cá nhân Bluetooth (Wireless Personal Area Network – WPAN), và nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID (Radio Frequence Identification) Thêm vào đó, nhiều công nghệ cảm biến như radar, xử lý ảnh và xử lý video được tích hợp vào trong kiến trúc của CALM Hầu hết các công nghệ thông tin liên lạc trong dòng L được mượn từ các ứng dụng khác, ngoại trừ các chuẩn W VE được đề xuất gần đây trên băng tần thông tin liên lạc phạm vi gần chuyên dụng DSRC

Hình 2-10: Kiến trúc ITS ISO CALM [1]

Kiến trúc ITS ISO CALM được biểu diễn trong Hình 2-10, CALM đang được đang được sử dụng và nâng cấp bởi các dự án ITS của châu Âu Khác biệt lớn nhất so với các

22 kiến trúc ITS của Hoa Kỳ và Nhật Bản đó là kiến trúc châu Âu bao gồm bộ giao thức ISO CALM cung cấp các giao diện để định rõ cách thức mà một vài công nghệ vô tuyến hiện tại có thể được sử dụng bởi các lớp bên trên Các giao diện đó là:

 CALM 2G/2.5G/GPRS Mạng tế bào

 CALM M5, bao gồm IEEE 802.11p và WiFi (5 GHz) ác kênh lô gic được hỗ trợ là kênh điều khiển, kênh dịch vụ và kênh phụ trợ

 L IEEE 802.16 / Wi ax băng rộng không dây di động

Hình 2-11: Kiến trúc hệ thống ITS của châu Âu[1]

Kết luận

hương 2 đã cung cấp cái nhìn tổng quan về các khái niệm hệ thống giao thông thông minh ITS , các yêu cầu qui định DSRC/WAVE, chồng giao thức, và các chuẩn liên quan của IEEE802.11p và IEEE1609 WAVE là công nghệ truyền thông phạm vi gần dựa trên IEEE802.11p và IEEE1609

Việc chuẩn hóa các kết nối mạng phương tiện giao thông ITS và các hoạt động nghiên cứu tại Hoa Kỳ, châu Âu, và Nhật Bản đang được xúc tiến mạnh mẽ, nhưng chúng chưa thể được xem là hoàn thành Tuy nhiên tại Nhật Bản, cơ sở hạ tầng thu phí đường bộ điện tử đã được sử dụng và việc triển khai cơ sở hạ tầng cho truyền thông an toàn đường bộ đang được thực hiện Sự chuẩn hóa và các hoạt động nghiên cứu được hỗ trợ mạnh mẽ bởi chính phủ của các quốc gia Hoa Kỳ, châu Âu, và Nhật Bản

Các hoạt động nghiên cứu và phát triển tại Hoa Kỳ chủ yếu đóng góp đến việc chuẩn hóa bộ giao thức IEEE 1609.Tại châu Âu, kết quả của các hoạt động tương tự được đóng góp đến việc chuẩn hóa ISO CALM Một yếu tố chung gắn kết các hoạt động chuẩn hóa tại các nơi trên thế giới đó là công nghệ IEEE 802.11p, được nhắm đến là công nghệ liên kết dữ liệu V2V chung được sử dụng cho các ứng dụng an toàn giao thông.

27 hương 3: CÁC GIAO THỨC ỨNG DỤNG TRONG M NG

Mạng VANET (Vehicular Ad Hoc Network) là một công nghệ sử dụng các xe di chuyển như các nút trong một mạng để tạo nên một mạng di động VANET biến mỗi xe tham gia giao thông thành một router hay một nút không dây, cho phép các xe này có thể kết nối với các xe khác trong phạm vi bán kính từ 100 đến 300 mét, từ đó tạo nên một mạng với vùng phủ sóng rộng Do các xe có thể đi ra khỏi vùng phủ sóng và thoát khỏi mạng, trong khi những xe khác có thể tham gia, kết nối với các phương tiện khác trên một mạng Internet di động được tạo nên

Truyền thông qua mạng VANET nhận được sự chú ý ngày càng nhiều bởi các nhà sản xuất xe hơi lớn trên thế giới như Toyota, issan, B W và Ford Tuy nhiên, để đưa mạng V ET vào sử dụng trên diện rộng thì một số lượng lớn các thách thức nghiên cứu cần được giải quyết, việc thiết kế hệ thống thông tin liên lạc giữa các ô tô một cách hiệu quả đặt ra nhiều thách thức về kỹ thuật Viện kỹ sư iện IEEE đưa ra một loạt các tiêu chuẩn truy cập không dây trong môi trường giao thông xe cộ (WAVE) hiện đang được coi là công nghệ hứa hẹn nhất cho mạng lưới giao thông Nó nhằm mục đích hỗ trợ khả năng tương tác và an toàn thông tin trong môi trường giao thông Phiên bản thử nghiệm đầu tiên của W VE được phát hành vào năm 2006 ác nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật chi tiết của 1609.4 cho hoạt động đa kênh và làm nổi bật tính năng mới của WAVE ở lớp điều khiển Nghiên cứu mô tả các dịch vụ và giao thức của IEEE 1609.3 như là 1 tiêu chuẩn dịch vụ mạng

Hình 3.1 Mô hình mạng VANET

3.1 ác đặc điểm chính của mạng VANET:

V ET có vài đặc điểm khác nhau so với ET cũng như những thách thức trong việc thiết kế những ứng dụng trong VANET:

 Cấu trúc mạng thay đổi nhanh:

Cấu trúc mạng của V ET luôn thay đổi bởi vì sự di chuyển của các phương tiện với tốc độ cao

 Thường xuyên bị ngắt kết nối mạng:

Việc các phương tiện di chuyển với tốc độ cao dẫn đến cấu trúc mạng thiếu ổn định và hơn nữa trong trường hợp các phương tiện thưa thớt không đủ để tiếp tục đường liên kết thì lúc đó sẽ xảy ra tình trạng ngắt kết nối mạng Lúc này việc thiết lập các RSU ( Road Side Unit) là cần thiết để chuyển tiếp các bản tin

 Mô hình hóa tính di động và dự đoán:

Việc dự đoán vị trí các phương tiện và sự di chuyển của chúng là rất khó Chức năng về mô hình tính di động và dự đoán trong V ET dựa trên khả năng định nghĩa trước của các mô hình đường xá Tốc độ của các phương tiện là quan trọng đối với việc thiết kế mạng lưới sao cho hiệu quả

Các mô hình di chuyển của phương tiện phụ thuộc vào môi trường giao thông, cấu trúc đường giao thông, tốc độ của phương tiện, hành vi của người lái xe… Việc liên hệ giữa các điều này cần phải được quan tâm

 Hạn chế về độ trễ lớn:

Tại các thời điểm khẩn cấp, việc truyền các gói tin là một vấn đề lớn Chính vì vậy, việc kiểm soát độ trễ của các gói tin là vấn đề quan trọng trong VANET vì cần phải đảm bảo về thời gian truyền đi các gói tin đến đích

 Tương tác với bộ cảm biến trong phương tiện:

Vị trí hiện tại và sự di chuyển của các node có thể dễ dàng được cảm nhận bởi các cảm biến được gắn trên các phương tiện, ch ng hạn như thiết bị GPS Nó giúp cho hiệu quả trong truyền thông và quyết định định tuyến

 Không giới hạn về năng lượng và lưu trữ:

Các node trong VANETs không chịu sự giới hạn về vấn đề năng lượng và lưu trữ như trong MANET Chính vì vậy nó đủ năng lượng trong việc tính toán iều này giúp cho hiểu quả trong truyền thông cũng như quyết định định tuyến

Kể từ đầu những năm 1990 nỗ lực để tích hợp công nghệ với hệ thống giao thông để xây dựng "con đường thông minh" có khả năng hướng dẫn các phương tiện nâng cao sự an toàn và điều kiện giao thông Hiệu quả sử dụng của hệ thống như vậy sẽ có tác động lớn đến hiệu suất hệ thống giao thông tổng thể, và nó dự kiến sẽ giảm xác suất của tai nạn

29 giao thông và thiệt hại về người, quản lý lưu lượng xe lưu thông và phối hợp cung cấp các ứng dụng thông tin giải trí cho hành khách Hơn nữa, nó có thể hỗ trợ giảm ô nhiễm và tiết kiệm nhiên liệu Mạng VANET là mạng quy mô lớn của mạng MANET , các xe di chuyển là các nút không dây VANET được đặc trưng bởi tính di động cao của các nút, tốc độ tương đối giữa các xe và tính chất thời gian thực của các ứng dụng Tuy nhiên, trong VANET các nút có xu hướng di chuyển trong một mô hình tổ chức Do đó vấn đề như công suất tiêu thụ và an-ten không phải là vấn đề quan trọng Các thành phần kỹ thuật hệ thống mạng lưới xe cộ bao gồm một thiết bị On-Board (OBE) là một thiết bị mạng được đặt trong các phương tiện di chuyển và kết nối với mạng không dây Road Side-Equipment (RSE), có thể được mô tả như là một thiết bị được cài đặt trong các cơ sở hạ tầng bên đường, dùng để kết nối các phương tiện di chuyển truy cập vào mạng và được kết nối với mạng lõi Mạng lưới xe cộ có hai loại truyền thông chính

Truyền thông Vehicle to Vehicle (V2V): Thông tin liên lạc giữa các xe chủ yếu bao gồm các ứng dụng an toàn và các ứng dụng quản lý giao thông iều quan trọng nhất của các ứng dụng an toàn đó là thời gian ưu tiên các ứng dụng Theo tiêu chuẩn WAVE, các OBE có thể giao tiếp với nhau qua một kênh vô tuyến cố định được gọi là kênh điều khiển (CCH), WAVE cung cấp một cơ chế giao tiếp gọi là WSMP (WAVE Short Message

Protocols), cho phép việc trao đổi các bản tin trong một môi trường tần số vô tuyến biến đổi nhanh, và độ trễ thấp là một mục tiêu quan trọng WSMP được sử dụng để tạo điều kiện thông tin liên lạc giữa các xe trong trường hợp các ứng dụng an toàn

AO T ỨC ỨNG DỤNG TRONG M NG VANET

Các ứng dụng VANET

Thông tin liên lạc trong hệ thống vận tải thông minh ITS cần thiết phải là thông tin thời gian thực để giúp không chỉ giao thông vận tải an toàn hơn và thân thiện với môi trường mà còn làm cho việc điều khiển phương tiện giao thông được thoải mái hơn bởi các hệ thống thông tin V2V và V2I a Ứng dụng về an toàn:

Xã hội cơ giới hóa đã đóng góp đáng kể đến việc cải thiện cuộc sống hàng ngày của con người Tuy nhiên, số lượng các vụ tai nạn giao thông vẫn duy trì ở một mức cao Mục đích của hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn (Driving Safety Support Systems – DSSS) là nhằm ngăn chặn các vụ tai nạn giao thông bởi việc đưa ra những cảnh báo âm thanh và hình ảnh, theo đó cảnh báo trước cho các tài xế về những nguy cơ tiềm tàng để đảm bảo việc điều khiển an toàn

Hình 3-4: Hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn DSSS [9]

Các cảm biến khác nhau được sử dụng để phát hiện ô tô, mô tô, và người đi bộ không nằm trong tầm nhìn của các tài xế Dựa trên các thông tin này từ các phương tiện thông

33 tin liên lạc (hồng ngoại hay sóng vô tuyến), DSSS cảnh báo các tài xế thông qua các thiết bị trên xe

Hình 3-5: Các hệ thống DSSS[9]

Hình 3-6: Các hệ thống an toàn ITS[7]

Hình 3-6 minh họa cách thức các hệ thống hỗ trợ lái xe với thông tin liên lạc giữa ô tô và ô tô, và giữa ô tô và người đi bộ; trong các điều kiện khác nhau cung cấp cho tài xế thông tin về các mối nguy hiểm tiềm tàng như sự tiếp cận của các ô tô hay người đi bộ

Theo đó ngăn ngừa các tai nạn gây ra bởi tầm nhìn hạn chế của các tài xế

Các dịch vụ thông tin trong hệ thống giao thông thông minh (ITS Spot) bao gồm các dịch vụ cơ bản như sau:

 Hướng dẫn tuyến động: là một dịch vụ sử dụng thông tin liên lạc V2I tốc độ cao, dung lượng lớn để cung cấp thông tin giao thông trên các tuyến đường trên diện rộng trong thời gian thực, cho phép các hệ thống dẫn đường ô tô lựa chọn tuyến tối ưu

 Hỗ trợ điều khiển phương tiện an toàn: là một dịch vụ cung cấp các cảnh báo khẩn cấp, sử dụng các “ITS Spot” để cung cấp thông tin giao thông trong điều kiện bình thường Dịch vụ có thể đưa ra cảnh báo đến các tài xế không chỉ về chướng ngại vật phía trước mà còn về tình trạng kẹt xe phía sau các khúc quanh, nhằm tránh việc mất kiểm soát gây ra tai nạn

Hình 3-7: Các hệ thống ITS Spot[8]

 Giao thông thời gian thực:

Các dữ liệu về giao thông thời gian thực có thể được lưu trữ trong các RSU ( Road Site Unit) và luôn khả dụng để các phương tiện cần đến iều này rất quan trọng trong việc giải quyết về tình trạng kẹt xe, tránh tắc nghẽn và trong các tình huống khẩn cấp như là bị tai nạn…

 Hợp tác truyền tải các bản tin:Việc đi chậm hay dừng h n của phương tiện sẽ được các phương tiện trao đổi bản tin cho nhau để giúp đỡ cho các phương tiện khác

Mặc dù độ tin cậy và độ trễ sẽ là vấn đề lớn, nó có thể tự động trong vài tình huống ch ng hạn như phanh gấp để tránh tai nạn

 Cảnh báo tai nạn: Một phương tiện đang trong một tai nạn sẽ quảng bá bản tin cảnh báo về vị trí của nó đến các phương tiện khác để các phương tiện này có thể đưa ra quyết định đúng lúc tốt nhất có thể có để tránh vụ tai nạn này

Hình 3-8: Cảnh báo về tình huống phương tiện bị tai nạn

 Thông tin về các biển hiệu điều khiển đường: các xe cộ cảnh báo cho các xe khác về đoàn đường có lở đất hay thông tin liên quan đến chức năng cảnh báo đường quanh co, xuống dốc gấp… b Ứng dụng thương mại:

Các ứng về thương mại sẽ cung cấp cho các tài xế sự giải trí và dịch vụ ch ng hạn như truy cập web, xem video và nghe audio Bao gồm:

 Truy cập internet: các phương tiện có thể truy cập internet thông qua các RSU nếu RSU được hoạt động như một thiết bị định tuyến

Hình 3-9: Truy cập internet qua VANET

Tải về bản đồ số: Bản đồ của khu vực có thể được tải về bởi các tài xế Coi video thời gian thực: Nhu cầu trải nghiệm các bộ phim sẽ không bị hạn chế, tài xế có thể yêu cầu một trải nghiệm thời gian thực cho các bộ phim mà anh ta yêu thích

Quảng cáo giá trị gia tăng: ây là điều cần thiết cho các nhà cung cấp dịch vụ, họ cần phải thu hút khách hàng đến với cửa hàng của họ Bản tin về trạm bơm xăng, nhà hàng trên đường cao tốc để thông báo dịch vụ của họ đến với tài xế trong vùng mà phương tiện đi qua Ứng dụng này khả dụng dù không có internet

36 c Ứng dụng thuận tiện: Ứng dụng thuận tiện đề cập chính trong việc quản lí giao thông với mục tiêu nâng cao hiệu quả giao thông bởi việc tăng mức độ thuận tiện cho các tài xế Các ứng dụng này bao gồm:

Tránh đường: Tuyến đường và kế hoạch đi có thể được tạo ra trong trường hợp xảy ra tắc nghẽn giao thông

KỊCH BẢN MÔ PHỎ VÀ KẾT QUẢ

Thiết kế mô phỏng ứng dụng xe xảy ra tai nạn

Trong hệ thống này không cần gởi liên tục các tin nhắn không cần thiết sẽ làm tốn băng thông kênh truyền

Hệ thống sử dụng tính năng “gởi lại ” thông điệp Accident và cùng với bản tin truyền lại của mỗi hop nhận được để chắc chắn là tất cả các xe đều nhận được thông điệp này và có hành động đổi hướng để tránh ùn tắt giao thông gây ra bởi tai nạn

Hình 4-8: Ứng dụng cảnh báo xe xảy ra tai nạn Ứng dụng này giả định hệ thống thông tin , bản đồ số và GPS là vẫn còn hoạt động khi xe xảy ra tai nạn và giả định hệ thống cảm biến luôn hoạt động tốt khi xe xảy ra tai nạn và yêu cầu một an-ten được gắn ở bên dưới trong tình huống xe bị lật iều này gia

62 tăng độ tin cậy trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt và tầm nhìn hạn chế và có thể làm giảm khả năng của vụ tai nạn liên tiếp từ xe phía sau

Xe với cơ sở hạ tầng : Xe bị sự cố sẽ truyền thông tin vị trí , thông tin cảnh báo và tình trạng xe tới cơ sở hạ tầng bên đường (RSU) Các RSU này sẽ quảng bá thông điệp cảnh báo tới các xe tiếp cận hiện trường vụ tai nạn và không tiếp tục quảng bá khi tai nạn được giải quyết

Dựa trên các yêu cầu ở trên tôi xác định một tập các yêu cầu cho một hệ thống cảnh báo xảy ra tai nạn :

- Thông tin từ xe tới cơ sở hạ tầng và từ xe tới xe

- Thông tin point- to – multipoint - Tần số tối thiểu ( tốc độ cập nhật) 1Hz

- ộ trễ cho phép : 0.5s - Dữ liệu được truyền / nhận : Vị trí xe xảy ra tai nạn, thông tin tuyến đường , tình trạng xe

- Khoảng cách yêu cầu tối đa truyền thông 300m

 Tổng quan về hệ thống

Trong phần này ta giả định tất cả các xe được trang bị phần cứng để giao tiếp không dây với nhau, GPS, bản đồ về tuyến đường, thông tin về con đường như : Tên đường, chiều dài mỗi con đường, tốc độ tối đa cho phép và thuật toán Giả định là tuyến đường đi đã được xác định bởi tài xế và thuật toán có thể truy cập để có các thông tin cơ bản này

Thời gian di chuyển là thời gian mà xe cần di chuyển qua các tuyến đường tại các thời điểm được tính toán bằng chiều dài con đường chia cho tốc độ cho phép tối đa , hệ số trễ được thêm vào cho mỗi vụ tai nạn Mỗi xe được cung cấp một bản đồ về tuyến đường , thông tin thời gian di chuyển mỗi tuyến , khi xác nhận một tai nạn xảy ra nó sẽ xác nhận lại thông tin thời gian di chuyển cho tuyến đường đó

Hình 4-9: Thông tin về làn đường trong mô phỏng SUMO

Hằng số trễ là trễ trung bình cho xe bị tai nạn:

TravelTime(Si) = (length(Si)/MaxSpeed(Si))+(DelayConstant*NumAccident(Si)) (1)

Khi xảy ra tai nạn , xe bị tai nạn sẽ quãng bá một thông điệp Tai nạn chứa định danh loại thông điệp và vị trí của nó, thời gian di chuyển của xe sẽ được tính theo công thức (1)

Các xe nhận được tín hiệu tai nạn được chia thành 3 loại dựa trên vị trí tai nạn và vị trí hiện tại của nó: Những xe không đi qua tuyến đường xảy ra tai nạn, xe di chuyển trên tuyến đường xảy ra tai nạn nhưng không thay đổi được lộ trình , xe thay đổi được lộ trình

Các modul quyết định trong xe có thể xác định xe thuộc 1 trong 3 trường hợp trên bằng cách so sánh tuyến đường xảy ra tai nạn với tuyến đường di chuyển của nó

Trường hợp 1: Xe di chuyển trên các con đường khác với tuyến đường xảy ra tai nạn , trường hợp này xe không bị ảnh hưởng và tiếp tục di chuyển

Trường hợp 2: Xe di chuyển cùng tuyến với đường xảy ra tai nạn Xe có thể hoặc không thể thay đổi sang tuyến đường khác Xe có thể giảm tốc và dừng lại ở khoảng cách an toàn Những xe này thường bị kẹt lại trong giao thông

Trường hợp 3: Xe hiện tại không nằm trên tuyến đường bị tai nạn nhưng nó là hướng di chuyển đến đích của xe Những xe này sẽ thay đổi tuyến đường đi để tránh kẹt xe bởi tai nạn Xe tìm ra hướng đi mới để đến đích với thời gian ngắn nhất húng ta cũng giả định là khi mà 1 xe hết kẹt thì nó quảng bá một bản tin release tới các xe khác ,các xe nhận được nó sẽ tính toán lại thời gian di chuyển cho tuyến đường dựa trên hằng số trễ bị thay đổi

Các xe nhận tín hiệu release được phân loại như sau: hông bị ảnh hưởng, ảnh hưởng nhưng không làm được gì, ảnh hưởng có thể thay đổ định tuyến

Trường hợp 1 : Các xe nhận bản tin này sẽ bỏ qua

Trường hợp 2 : Các xe này từ chối bản tin release

Trường hợp 3: Các xe này nhận bản tin release và tính toán lại tuyến đường tốt nhất dựa vào thông tin mới và định tuyến lại cần thiết

Thực hiện 3 mô phỏng cho 3 trường hợp khác nhau để so sánh và đánh giá kết quả:

Mô phỏng 1: Xe bị tai nạn gởi thông điệp tai nạn 1 lần và các xe nhận thông điệp này sẽ lan truyền nó một lần

Mô phỏng 2 : Xe bị tai nạn sẽ gởi thông báo định kỳ và không có xe khác lan truyền thông điệp này

Mô phỏng 3 : Xe bị tai nạn gởi thông báo định kỳ và xe nhận truyền nó 1 lần Xe bị tai nạn sẽ gởi thông điệp 1s và ngừng gởi sau 5 phút

Chúng ta tính toán thời gian chờ đợi cho mỗi chiếc xe, thời gian đi tổng thể của mỗi xe và số tin nhắn gởi giữa tất cả các xe trong từng trường hợp Thời gian chờ đợi là thời gian xe đã dừng lại do một tai nạn, một đ n giao thông hoặc ách tắc giao thông

Mô phỏng và đánh giá kết quả

Hiện nay, việc kiểm tra và đánh giá các đề xuất mạng V2V và V2I trong điều kiện thực tế là rất cần thiết Tuy nhiên, do một vài sự giới hạn như chi phí cao hoặc giới hạn trong công nghệ, việc phân tích sự thi hành của một đề xuất mới được phát triển cho

VANET trong một môi trường giao thông thực là rất khó thực hiện hoặc không khả thi hính vì lý do đó mà các nghiên cứu sử dụng các công cụ mô phỏng để thực hiện việc đánh giá sự thi hành theo các kịch bản và các cấu hình mạng khác nhau Tuy nhiên, chúng ta nên sử dụng một công cụ mô phỏng càng gần thực tế càng tốt để đạt được kết quả đáng tin cậy

Các mô hình di chuyển xe cộ phải cung cấp các mô hình chuyển động giống với hành vi thực tế của các phương tiện giao thông để chúng ta có thể tin tưởng kết quả mô phỏng đạt được Hầu hết các mô hình di động được sử dụng rộng rãi được dựa trên các mô hình ngẫu nhiên không thể mô tả sự chuyển động các phương tiện một cách thực tế bởi vì chúng không đưa vào sự mô tả hành vi cụ thể của các tài xế hay các đặc tính của các kiến trúc đường xá Do đó, các kết quả mô phỏng của các giao thức được kiểm tra có thể khác biệt đáng kể so với kết quả có thể đạt được bằng cách thi hành mạng trong một kịch bản thực tế

Các ứng dụng được phát triển đã được kiểm tra để đảm bảo rằng nó đáp ứng các yêu cầu NHTSA và chức năng như mong đợi theo từng trường hợp Các thiết lập mô phỏng ở đây bao gồm mô hình hóa sự di chuyển của các loại xe sử dụng SUMO như mong muốn và sau đó cấu hình các ứng dụng trong OMNeT ++ trước khi chạy mô phỏng

Các phần dưới đây sẽ giải thích cách đã đạt được

4.3.1 Các mô hình di động cho mạng VANET

Theo một cuộc khảo sát và phân loại các mô hình di động cho các mạng Ad-hoc dành cho xe cộ của viện EURECOM, các mô hình di động được dự định để tạo ra mẫu chuyển động xe cộ thực tế phải bao gồm các khía cạnh sau đây:

Các bản đồ cấu trúc chính xác và thực tế: Bao gồm mật độ của các nút giao thông, các tuyến đường đa làn, sự thay đổi của các kiểu đường và các giới hạn tốc độ khác nhau trên mỗi tuyến đường

Vật cản: Các vật cản là sự hạn chế với các chuyển động của phương tiện và chúng cũng có thể gây trở ngại cho thông tin vô tuyến

Các điểm khởi hành và kết thúc: ác điểm khởi hành như nhà riêng là nơi các tài xế bắt đầu đi và các điểm kết thúc như văn phòng, trường học là nơi các tài xế đến húng cũng phụ thuộc vào thời gian trong ngày

Các đặc điểm của phương tiện: Chuyển động thực của phương tiện phải được xem xét: ô tô hoặc xe tải có sự khác biệt gia tốc, giảm tốc, hay tốc độ, cũng như một số tuyến đường hạn chế phụ thuộc vào loại phương tiện

Chuyển động theo tuyến đường: Một tuyến đường gồm nhiều đoạn đường được lựa chọn, ô tô dựa trên giới hạn tốc độ, thời gian trong ngày, ùn tắc giao thông, hay khoảng cách

Sự gia tốc và giảm tốc: ác phương tiện không dừng hay tăng tốc đột ngột Các mô hình cho giảm tốc và tăng tốc phải được xem xét

Mô hình lái xe của con người: ô hình di động xem xét sự tương tác với môi trường giao thông như sự hiện diện của các phương tiện khác, sự vượt qua xe khác, ùn tắc cũng như người đi bộ

Sự quản lý nút giao thông: Là quá trình kiểm soát một giao lộ có thể được mô hình tĩnh

(báo hiệu dừng) có điều kiện (báo hiệu lưu lượng) hoặc phụ thuộc thời gian (các đ n giao thông)

Mô hình thời gian: Xem xét sự thay đổi mật độ trong một ngày có thể làm thay đổi hành trình

Tác động bên ngoài: Mô hình sự tác động của các tai nạn, các công trình đường bộ tạm thời hoặc sự nhận biết trạng thái lưu lượng của tuyến đường

Càng có nhiều đặc tính thiết kế của các mô hình di động, các mô hình đó sẽ càng thực tế hơn ác đặc tính đó là cơ sở của các phương pháp khả dụng khác nhau trong việc mô hình hóa sự di chuyển phương tiện ác mô hình di động được cân nhắc thành năm loại tùy thuộc vào phạm vi và các đặc tính của chúng như trong Hình 4-10

 Mô hình ngẫu nhiên: Sự di động của phương tiện được xem xét ngẫu nhiên và các tham số di động của chúng như tốc độ, hướng di chuyển và đích đến được lấy mẫu từ các quá trình ngẫu nhiên Một sự tương tác rất hạn chế được xem xét trong loại này

 Mô hình luồng: Các mô hình di chuyển làn đơn hoặc đa làn dựa trên nguyên lý luồng được xem xét từ cách nhìn vi mô và vĩ mô

 Mô hình giao thông: Các mô hình hành trình và tuyến đường được mô tả trong loại này, trong đó mỗi phương tiện có một hành trình hoặc một tuyến đường hoặc một luồng các phương tiện được gán đến một hành trình hoặc tuyến đường Ngoài ra, sự tác động của thời gian lên các mô hình đó cũng được mô tả

 Mô hình hành vi: Chúng không dựa trên các qui định được định nghĩa trước mà thay vào đó là tính thích nghi với một hoàn cảnh nhất định bởi việc mô phỏng hành vi của con người, ch ng hạn như các khía cạnh xã hội, sự học hỏi hay sự tuân theo các khái niệm trí tuệ nhân tạo

Công cụ mô phỏng

Mô phỏng mạng thông thường được sử dụng để mô hình cấu hình mạng máy tính một thời gian dài trước khi chúng được triển khai trong thế giới thực.Thông qua mô phỏng, sự thi hành các thiết lập mạng khác nhau có thể được so sánh, làm cho nó có khả năng nhận biết và giải quyết các vấn đề thi hành mà không cần đưa ra những thử nghiệm thực tế với chi phí cao.Mô phỏng mạng cũng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu để đánh giá sự hoạt động của các giao thức mạng mới

Trong hầu hết các trường hợp, các giao thức mạng được phân tích sử dụng mô phỏng sự kiện rời rạc và một số lượng lớn các khung mô phỏng có sẵn trong lĩnh vực này.Trong sự đánh giá cơ chế được đề xuất trong luận văn, chúng ta sử dụng khung mô phỏng VEINS

VEINS là một khung mô phỏng (simulation framework) mã nguồn mở để chạy các mô phỏng hành vi của các phương tiện giao thông ó được dựa trên hai công cụ mô phỏng đã được xây dựng là: OMNet++, một công cụ mô phỏng mạng dựa trên sự kiện SUMO, một công cụ mô phỏng giao thông đường bộ Sự mở rộng này để cung cấp một bộ đầy đủ các mô hình mô phỏng IVC

4.4.1 Công cụ mô phỏng mạng OMNeT++

Một mô hình OMNeT++ bao gồm các phân hệ giao tiếp với thông điệp Các mô-đun hoạt động được gọi là module đơn giản; chúng được viết bằng C ++ sử dụng thư viện lớp mô phỏng, module đơn giản có thể được nhóm lại thành các mô đun hợp nhất và số lượng cấp bậc là không giới hạn Tin nhắn có thể được gửi thông qua các kết nối mở rộng giữa các module hoặc trực tiếp đến các module đích

Hình 4-12: Công cụ mô phỏng OMNET++

OMNeT++ là một môi trường mô phỏng sự kiện rời rạc Phạm vi ứng dụng chính của nó là mô phỏng các mạng thông tin liên lạc nhưng bởi vì kiến trúc chung và linh hoạt của nó, được sử dụng thành công trong các lĩnh vực khác như mô phỏng các hệ thống công nghệ thông tin phức tạp cũng như các kiến trúc phần cứng

OMNeT++ cung cấp một kiến trúc thành phần cho các mô hình Các thành phần (modules) được lập trình bằng ++, sau đó lại được tổ hợp vào trong các thành phần và các mô hình lớn hơn sử dụng một ngôn ngữ cấp cao (NED) OMNeT++ có sự hỗ trợ giao diện người dùng mở rộng và vì kiến trúc theo dạng mô-dun của nó Các bộ phận chủ yếu (và các mô hình) có thể được nhúng dễ dàng vào trong ứng dụng người dùng Một mô hình OMNeT++ bao gồm các thành phần sau đây: ịnh nghĩa kiến trúc hình học và cấu trúc được mô phỏng, ví dụ module và các mối liên kết thông qua ngôn ngữ NED

75 ịnh nghĩa mô-đun riêng sử dụng C ++, những yếu tố chính của các mô hình

Biên dịch các module và liên kết với các mô phỏng của thư viện ặc điểm kỹ thuật của các thông số cụ thể của mô phỏng

Sự mô tả cấu trúc ngôn ngữ NED (các tập tin ned): Mô tả cấu trúc mô-dun với các thông số, các giao diện đầu vào và đầu ra Các tập tin NED có thể được viết sử dụng một công cụ soạn thảo văn bản bất kỳ, nhưng môi trường phát triển tích hợp OMNeT++ IDE cung cấp sự hỗ trợ tốt cho cả hai cách soạn thảo đồ họa và văn bản

Các định nghĩa gói tin (các tập tin msg): Chúng ta có thể định nghĩa các kiểu gói tin khác nhau và thêm vào các trường dữ liệu đến chúng OMNeT++ sẽ biên dịch các định nghĩa gói tin vào trong các lớp C++ chính thức

Các nguồn môdun đơn, đó là các tập tin C++ h/.cc

Một mô phỏng có thể được biên dịch như một chương trình thực thi độc lập, theo đó nó có thể chạy trên các máy tính khác mà không cần có sự hiện diện của OMNeT++, hoặc nó có thể được tạo như một thư viện được chia sẽ Trong trường hợp này, các thư viện được chia sẽ OMNeT++ phải được hiện diện trên hệ thống đó hi một chương trình được bắt đầu, đầu tiên nó đọc tất cả các tập tin NED chứa trong cấu trúc mô hình, sau đó nó đọc một tập tin cấu hình (thường được gọi là omnetpp.ini) Tập tin này chứa đựng thiết lập điều khiển cách thức mô phỏng được thi hành, các giá trị cho các tham số mô hình,…Tập tin cấu hình cũng có thể qui định vài kiểu chạy mô phỏng; trong trường hợp đơn giản nhất chúng sẽ được thi hành bởi chương trình mô phỏng theo từng bước ầu ra của mô phỏng được ghi vào trong các tập tin kết quả: Các tập tin vector đầu ra, các tập tin vô hướng đầu ra hoặc có thể là các tập tin đầu ra của người sử dụng

OMNeT++ chứa đựng một môi trường phát triển tích hợp IDE cung cấp môi trường phong phú cho việc phân tích những tập tin này Các tập tin đầu ra là các tập tin văn bản định dạng dòng có thể được xử lý với các công cụ khác nhau Thư mục O eT++ được cài đặt trong hệ thống chứa đựng các thư mục con như sau:

Thƣ mục Chú giải omnetpp/ Thư mục gốc OMNeT++ omnetpp/bin/ Các tập tin thực thi OMNeT++ omnetpp/include/ Các tập tin tiêu đề cho các mô hình mô phỏng omnetpp/lib/ Các tập tin thư viện omnetpp/images/ Các biểu tượng và hình nền cho đồ họa mạng omnetpp/doc/ Hướng dẫn sử dụng, các tập tin “readme”, sự cấp phép, các API

76 omnetpp/migrate/ Các công cụ để hỗ trợ việc chuyển từ phiên bản 3.x sang 4.0 omnetpp/src/ Các tài nguyên OMNeT++ omnetpp/test/ Bộ kiểm tra quy hồi

Bảng 4-1: ác thư mục trong OMNeT++

Các mô phỏng trong OMNeT ++ có thể được kiểm soát bằng cách cung cấp các thông số sửa đổi cần thiết cho mỗi mô-đun đang được sử dụng trong mô phỏng bằng cách sử dụng tập tin ini tương ứng với mô phỏng Các thông số được sử dụng và các giá trị cụ thể của sẽ được hình thành các tập tin ini ích thước mô phỏng được thiết lập để kích thước tối đa của bản đồ nằm trong khu vực mô phỏng tránh xe đi ra ngoài giới hạn Sự di chuyển của xe trong mô phỏng, x và y hướng được xử lý bởi các mô hình di động Các vị trí trên trục z được thiết lập một giá trị không đổi đại diện cho chiều cao của ăng-ten từ mặt đất

Các thông số thiết lập cho Traci Scenario Manager, cho các kết nối TCP loopback giữa OMNeT ++ và SUMO

*.manager.moduleType = "org.car2x.veins.nodes.Car"

*.manager.launchConfig = xmldoc("erlangen.launchd.xml")

Các thông số cụ thể IEEE 802.11p cho giao diện mạng:

*.**.nic.phy80211p.decider = xmldoc("config.xml")

*.**.nic.phy80211p.analogueModels = xmldoc("config.xml")

4.4.2 Công cụ mô phỏng giao thông đường bộ SUMO

Sumo-launchd là một ứng dụng proxy mà chạy như một daemon Nó chấp nhận các kết nối TCP từ OMNeT ++ và SUMO Cấu trúc của thông tin liên lạc giữa các mô phỏng được minh họa trong Hình

Hình 4-13 : Kết nối OMNET++ và SUMO

OMNeT ++ sử dụng giao thức TCP sẽ gửi lệnh để kiểm soát tình trạng của SUMO mô phỏng do đó ảnh hưởng đến hành vi của các phương tiện Tiếp theo, SUMO thực hiện các lệnh và đáp ứng với các phương tiện thông tin di động cho mô phỏng OMNeT + + Do đó, SU O chỉ chạy lệnh khi O eT ++ đã hoàn thành tất cả các quá trình mô phỏng và kết thúc mô phỏng các phiên T P được đóng lại Hình 4-14 cho thấy cách sumo-launchd làm việc chi tiết hơn

Hình 4-14 : Chức năng Sumo-launchd hư đã đề cập trong phần trước, một số mô hình mô phỏng đã được phân tích qua SU O (Simulation of Urban obility) đã được chọn như một công cụ mô phỏng giao

Mô hình mô phỏng

ể có thể mô phỏng các Ứng dụng vận tải thông minh ITS trong mạng VANET, trước tiên chúng ta phải có được bản đồ của mô hình mô phỏng tương thích với SUMO

Trong Luận văn này, bản đồ khu vực Quận 1 của thành phố Hồ Chí Minh sẽ được sử dụng để thực hiện mô phỏng Môdun Netconvert của SU O đưa ra một phương thức để nhập vào các mạng lưới đường giao thông số hóa từ các nguồn khác nhau, ch ng hạn như

OpenStreetMap, và tạo ra các mạng lưới có khả năng sử dụng bởi các môdun của SUMO

Trong Luận văn, định dạng OpenStreetMap được chọn như trong Hình 4-22 Bởi việc truy cập vào trang web OpenStreetMap chúng ta có thể tìm kiếm khu vực thành phố mong muốn và dễ dàng xuất dữ liệu đó vào trong một tập tin XML

Hình 4-22: Bản đồ khu vực mô phỏng của Quận 1 thành phố Hồ Chí Minh

Sau quá trình này, chúng ta sử dụng môdun Netconvert để chuyển đổi tập tin OpenStreetMap vào trong tập tin XML, bằng lệnh như sau:

$netconvert –osm tphcm.osm tphcm.net.xml

Hình 4-23 biểu diễn bản đồ khu vực địa lý được sử dụng trong mô phỏng sau khi được chuyển đổi sang định dạng X L để chạy trên SUMO Nó bao gồm các đa giác biểu diễn các khối vật cản (các tòa nhà) và sơ đồ các tuyến đường cùng với số định danh tương ứng của chúng

Hình 4-23: Sơ đồ trên SUMO của khu vực mô phỏng

Trong SUMO, việc định nghĩa các tuyến được thực hiện như sau:

Trong tiến trình mô phỏng các luồng phương tiện được khai báo trong mô phỏng theo mô hình luồng Các luồng phương tiện chạy dọc theo các tuyến đường với các hướng di chuyển khác nhau trên bản đồ mô phỏng trong khi thực hiện truyền thông với nhau được bố trí tại một giao lộ như trong Hình 4-23

Thiết bị được khởi tạo bởi bộ mô phỏng O eT++ và tương tác với các phương tiện trong SUMO thông qua sự đồng bộ chuyển động của các nút trong OMNeT++

Bảng 4-5 liệt kê các thông số của các luồng xe trong mô phỏng theo tốc độ tối đa của chúng Trong đó, “Period” là khoảng thời gian mà các xe được tạo ra trong một luồng xe khi bắt đầu mô phỏng, và thông số “ umbers” cho biết số lượng xe trong một luồng xe trong mỗi mô phỏng

Nhóm xe 1 Nhóm xe 2 Xe khẩn cấp EV

Period(s) Numbers Period(s) Numbers Period(s) Numbers

Bảng 4-5: Thông số các luồng xe của mô mình.

Kết quả mô phỏng và phân tích

Việc phân tích các kịch bản đã được sử dụng để mô phỏng và đánh giá các ứng dụng an toàn trong mạng VANET Các kết quả thu được trình bày và phân tích như sau:

4.6.1 Kết quả thu thập các tiêu chí:

Trước khi lấy kết quả, một điều quan trọng để hiểu và quyết định những dữ liệu là cần thiết để đánh giá hiệu suất làm việc và tính năng của ứng dụng Sau đây là kết quả thử nghiệm trong các kịch bản mô phỏng

Thời gian từ khi WS được xây dựng và phát đi trong các ứng dụng an toàn công cộng hoặc một phương tiện bị tai nạn cho đến khi được nhận bởi một chiếc xe khác trong khoảng cách tối đa yêu cầu cho truyền thông ể mà thu thập dữ liệu này, mỗi WSM tạo ra được đánh dấu với thời gian mô phỏng tại thời điểm đó và sau đó được trừ vào thời gian mô phỏng tại bên nhận bản tin

 Khoảng cách yêu cầu tối đa cho truyền thông :

Khoảng cách truyền thông tối đa giữa hai xe là đủ xa cần thiết để hỗ trợ hiệu quả hoạt động của một ứng dụng cụ thể Cũng có thể được gọi là phạm vi ứng dụng hoạt động, bán kính vùng phủ sóng của xe xa nhất, nơi mà ứng dụng còn hoạt động ể thu thập dữ liệu này, ngay tại vị trí chiếc xe phát WSM thì thời gian mô phỏng được tính cho đến khi WSM được nhận bởi xe khác Khi bản tin WSM đã nhận được, phối hợp của hai xe đã được thông qua và khoảng cách giữa chúng đã được ghi lại Trong những tình huống đa bước nhảy, các WSM chứa các tọa độ của chiếc xe mà WSM đầu tiên tạo do xe bị tai nạn gởi đi chứ không phải của các phương tiện trung gian truyền lại bản tin WSM

4.6.2 Ứng dụng cảnh báo phương tiện khẩn cấp đang đến gần: Ứng dụng cảnh báo phương tiện khẩn cấp đến gần sử dụng multi-hop broadcast để gia tăng khoảng cách và rút ngắn thời gian nhận bản tin cảnh báo cho các xe xung quanh Mô

91 hình mô phỏng là kịch bản trung tâm thành phố với các tòa nhà và các cấu trúc khác cản trở việc thông tin liên lạc giữa các xe và làm giảm hiệu quả truyền thông tin Mục đích ở đây là đánh giá hiệu suất của các ứng dụng trong trường hợp xấu nhất có thể xảy ra trong mạng ể thực hiện mô phỏng, các tuyến đường hiện đã được lựa chọn

Phương tiện khẩn cấp đi hướng ngược lại xe tham gia giao thông Ứng dụng sử dụng multi-hop chuyển tiếp thông tin broadcast để đạt được một phạm vi truyền thông tốt hơn và đánh giá kết quả

 Phân tích các kết quả mô phỏng của kỹ thuật phát sóng multihop broadcast quang bá bản tin :

Kỹ thuật này được mô tả về cơ bản, mỗi nút đó nhận được một gói tin thì nó gởi quảng bá rebroadcasts nó ngay lập tức hương trình này sử dụng các khoảng cách tương đối giữa các host để đưa ra quyết định

Khi một chiếc xe nhận được một tin nhắn, nó có thể đo khoảng cách tới các xe phát Nó có thể thu được từ GPS Các vị trí của xe phát bản tin và khoảng cách tính bằng chênh lệch giữa thu và địa điểm phát Trong một số trường hợp, khoảng cách cũng có thể được đánh giá từ công suất tín hiệu radio ở người nhận ánh giá tính năng multi-hop để thử nghiệm xác định các trường hợp nó có hiệu quả và khi nó không hiệu quả Các mô phỏng được thực hiện và kết quả quan sát thu được dưới đây:

Trường hợp 1: Khoảng cách 2 xe >300m không có multi-hop giữa các xe

Thử nghiệm này được thực hiện để đánh giá khoảng cách tối đa truyền sóng giữa hai xe trong khu vực mô phỏng trước khi không xảy ra multi-hop được Hai chiếc xe, một chiếc được theo sau bởi các chiếc khác di chuyển trên các tuyến đường chỉ ra trong hình 4-24 Xe 0 và xe 1 chạy cùng chiều và ngược hướng với xe khẩn cấp

Hình 4-24: Hướng di chuyển của xe không có multi-hop ( 300m)

Hai luồng xe giao thông ngược chiều như hình vẽ Khoảng cách giữa hai xe được kiểm soát bằng cách thay đổi thời gian đã được thiết lập ban đầu trong kịch bản

Hình 4-25 là khoảng cách đến xe EV Khoảng cách ly giữa hai node 0 và node 1 (không phải xe EV ) >300m Khoảng cách này, đã được quan sát không có multi- hop nhận bởi node 1, thời gian node 0 nhận được bản tin của xe ưu tiên là tại thời điểm 193s, thời gian node1 nhận được bản tin xe EV là 217s Vậy thời gian từ khi node 0 nhận tới khi node1 nhận bản tin mất thời gian là 24s tai vận tốc xe 0 và xe 1 là 5m/s và xe EV là 10m/s

Hình 4-25: Khoảng cách đến xe khẩn cấp không có multi-hop

Trường hợp 2: Giữa các xe nhận có Multi-hop , khoảng cách giữa các xe 300m , đủ để đảm bảo rằng multi-hop không xảy ra giữa 2 nhóm xe 0 và 1, quan sát thấy rằng các host 4,5,6 và 7 nhận WSM chỉ khi xe EV tới gần nhóm xe thứ 2 Thời gian nhóm xe 1 nhận bản tin cảnh báo của xe EV là 521s , sau đó nhóm xe 2 nhận cảnh báo của xe EV tại thời điểm 605s khi khoảng cách giữa nhóm xe 2 và xe EV