nghiên cứu ứng dụng mạng vanet trong mô phỏng mạng xe cộ kết hợp với các hoạt động đa kênh

TÓM TẮT Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET TRONG MÔ PHỎNG MẠNG XE CỘ KẾT HỢP VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu Trang Kết quả đạt được của đề tài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN

THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET TRONG MÔ PHỎNG MẠNG XE CỘ KẾT HỢP

VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH

Người hướng dẫn: Ths Ngô Thị Minh Hương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu Trang Mã sinh viên: 1911505410162

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN

THÔNG CHUYÊN NGÀNH: VIỄN THÔNG

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET TRONG MÔ PHỎNG MẠNG XE CỘ KẾT HỢP

VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH

Người hướng dẫn: Ths.Ngô Thị Minh Hương Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu Trang Mã sinh viên: 1911505410162

Lớp: 19DT1

Đà Nẵng, 12/2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET TRONG MÔ PHỎNG

MẠNG XE CỘ KẾT HỢP VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Thu Trang

Kết quả đạt được của đề tài Thiết kế, mô phỏng được mô hình ứng dụng mạng VANET đảm bảo có một số tính năng như sau: Một môi trường mô phỏng mạng xe cộ mới, VANET Toolbox, tốc độ của các phương tiện và các hoạt động chuyển làn, các mô phỏng cho thấy rằng với lưu lượng mạng lớn, giao tiếp đa kênh hoạt động tốt hơn so với giao tiếp một kênh

Ở trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành và đề xuất ra các phương án kỹ thuật để xây dựng hệ thống cảnh báo tai nạn bằng mạng vanet

Đề tài nhóm em gồm có 4 chương: Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Mục đích mà nhóm mong muốn đạt được sau khi hoàn thành sản phẩm là: - MATLAB: Thực hiện xử lý tín hiệu, thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm

biến, và thực hiện các tính toán liên quan - Simulink: Mô phỏng hệ thống hoạt động và điều khiển, bao gồm các phương tiện

và trạm cơ sở trong VANET Xây dựng được mô hình mô phỏng

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại ngày nay, khi công nghệ ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, việc áp dụng và phát triển các giải pháp thông minh để nâng cao an toàn và hiệu suất giao thông là một nhiệm vụ đầy thách thức Mạng Ad Hoc Di Động Vehicular (VANET) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu độc đáo và hứa hẹn, nơi mà sự kết hợp giữa các phương tiện di động và các kênh thông tin không dây mở ra những cơ hội mới trong việc tối ưu hóa quản lý giao thông và cảnh báo tai nạn Báo cáo đánh giá hiệu quả sử dụng qua khung mô phỏng matlab và simulink Kết quả cho thấy khả năng tích hợp và tương tác giữa các phương tiện thông minh thông qua các hoạt động đa kênh

Việc hoàn thành đồ án này giúp em hiểu rõ hơn các kiến thức đã học, vận dụng để tạo ra sản phẩm phục vụ cho cuộc sống Trong quá trình thực hiện đề tài, không thể tránh khỏi việc gặp nhiều khó khăn, do đó giúp sinh viên chủ động trao đổi thảo luận với thầy hướng dẫn, bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Ngô Thị Minh Hương Cô đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình giúp đỡ em từ khi bắt đầu đến khi hoàn thành đề tài

Em xin cảm ơn quý Thầy, Cô trong Khoa Điện – Điện tử trường Đại Học Sư phạm Kỹ Thuật đã truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian em học tập tại trường

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện đề tài

NGUYỄN THỊ THU TRANG

Đã thực hiện chỉnh sửa, bổ sung theo đúng yêu cầu của GV phản biện và Hội đồng chấm

Sinh viên thực hiện

NGUYỄN THỊ THU TRANG

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN TÓM TẮT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Tổng quan về hệ thống giao thông thông minh: 11

2.1.1 Hệ thống giao thông thông minh ITS: 11

2.1.2 Chuẩn truy cập không dây trong hệ thống giao thông thông minh: 13

2.2 Tổng quan về mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network) 15

2.2.1 Khái niệm cơ bản: 15

2.2.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET: 17

2.2.3 Ứng dụng của MANET: 19

2.3 Tổng quan về mạng VANET: 20

2.3.1 Khái niệm cơ bản: 20

2.3.2 Các đặc điểm của mạng VANET 24

2.3.3 Các thách thức của mạng VANET 25

2.3.4 Cấu trúc hệ thống mạng VANET 26

2.3.5 Ứng dụng của mạng VANET 29

2.3.6 Truyền thông tin trong VANET 33

2.3.7 Trang bị cần thiết của phương tiện tham gia VANET: 37

2.4 WAVE – WIRELESS ACCESS IN VEHICULAR ENVIROMENT (Truy cập không dây trong môi trường xe) 39

2.4.1 IEEE 802.11p: WAVE PHY and MAC 39

2.4.2 IEEE 1609.4: Multichannel Operation 40

2.4.3 IEEE 1609.3: Wave Short Message Protocol (WSMP) 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 43

3.1 Phần mềm mô phỏng matlab và simulink 43

3.1.1 Matlab Và Simulink là gì? 43

3.1.2 Các thành phần chính của Matlab Và Simulink: 43

3.1.3 Ứng dụng của Matlab và Simulink 45

3.2 Thiết kế mô phỏng mạng xe cộ 46

3.3 Thiết kế lớp PHY 48

3.3 Thiết kế lớp MAC 49

3.4 Thiết kế lớp APP 53

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 56

4.1 Mô phỏng trên simulink 56

4.2 Code Matlab 62

4.3 Kết quả 63

KẾT LUẬN 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Hình 1.3 Tương tác trong Mạng tích hợp và Trình mô phỏng lưu lượng truy cập Thông tin theo dõi phương tiện được chuyển trực tiếp đến trình mô phỏng mạng, tại đó trình mô phỏng mạng thực hiện mô phỏng mạng và trả về kết quả 9

Hình 2.1 Mạng MANET 16

Hình 2.2 Tổng quan về mạng VANET 22

Hình 2.3 Hệ thống mạng Vanet 24

Hình 2.4 Cấu trúc hệ thống mạng VANET 27

Hình 2.5 RSU mở rộng khoảng giao tiếp 28

Hình 2.6 RSU như là một nguồn thông tin 29

Hình 2.7 RSU cung cấp dịch vụ internet để OBU truy cập 29

Hình 2.8 Sự cảnh báo về tình huống phương tiện bị tai nạn 30

Hình 2.9 Truy cập internet qua VANET 31

Hình 2.10 Hình ETC Ở TP Hồ Chí Minh 32

Hình 2.11 Truyền thông tin giao tiếp trong VANET 33

Hình 2.12 Giao tiếp giữa các phương tiện 34

Hình 2.13 Hình giao tiếp giữa phương tiện và RSU 35

Hình 2.14 Hình giao tiếp dựa trên định tuyến 36

Hình 2.15 Trang bị cần thiết của xe thông minh 38

Hình 2.16 các trang bị cần thiết của phương tiện VANET 38

Hình 2.17 Các kênh truyền trong 802.11p 39

Hình 2.18 Phân bổ kênh FCC cho mạng xe cộ với 1 CCH và 6 SCH 41

Hình 3.1 Cấu trúc thiết kế của VANET Toolbox Lớp APP tích hợp mô hình mạng và mô hình di chuyển của phương tiện là sự kết hợp giữa hướng sự kiện và hướng thời gian Lớp MAC tập trung vào EDCA và hoàn toàn hướng đến sự kiện Liên kết kênh không dây trong lớp PHY là mô-đun DES điều khiển theo thời gian 47

Hình 3.2 Mô hình liên kết VANET PHY PHY Tx và Rx dùng để mã hóa và giải mã dữ liệu khi xử lý cấp độ bit Liên kết kênh không dây là mô-đun DES với mô hình phản xạ mặt đất hai tia và AWGN làm mặc định 49

Hình 3.3 Lớp MAC gửi đến: Luồng dữ liệu từ PHY đến lớp APP Bỏ thực thể khung bị hỏng hoặc trích xuất tải trọng từ khung nguyên vẹn và gửi đến lớp APP 51

Hình 3.4 Thiết kế lớp APP bằng MATLAB DES Các tin nhắn từ các ứng dụng mô hình di động được chuyển đổi thành tải trọng và gửi đến lớp MAC Khi nhận tải trọng từ lớp MAC, các tin nhắn sẽ được trích xuất và gửi đến các mô hình di động khác nhau 54

Hình 4.1 thư viện VANET trên simulink 56

Hình 4.2 demo 4 xe đa kênh 58

Hình 4.3 Mạng xe đa kênh 58

Hình 4.4 lớp Mac đa kênh 59

Hình 4.5 demo 16 xe 60

Hình 4.6 Kết quả chạy mô phỏng 61

Hình 4.7 Hành vi chuyển làn phối hợp dựa trên giao tiếp V2V đa kênh Việc phối hợp bao gồm hai giai đoạn: Phối hợp thành lập WBSS và phối hợp chuyển làn 61

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa

Communications

Truyền thông tầm ngắn chuyên dụng

For Microwave Access

Công nghệ truyền dẫn không dây

Network

Mạng khu vực cá nhân không dây

Testing And Materials

Hiệp hội thí nghiệm và vật liệu Hoa Kỳ

SCH Service Channel Kênh dịch vụ CSMA/CA

Carrier Sense Multiple Access, Collision Avoidance

Đa truy cập nhận biết sóng mang phát hiện xung đột

Clear-To-Send

Máy địa phương sẵn sàng nhận dữ liệu/máy ở xa sẵn sàng nhận dữ liệu

phí

Distance Vector

Giao thức định tuyến dựa trên thuật toán Bellman-Ford

Routing

Giao thức định tuyến trạng thái liên kết tối ưu

Distance Vector

Giao thức định tuyến cho mạng Ad hoc

MỞ ĐẦU

Trong một vài thập niên trở lại đây nghành công nghiệp nặng 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 nạn kẹt xe, tai nạn giao thông xảy ra liên tục làm ảnh hưởng đến thời gian cũng như thiệt hại về nền kinh tế

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 Mạng không dây adhoc (wireless adhoc network) hay mạng di động ad hoc (mobile ad hoc network -MANET) đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu bởi tiềm năng ứng dụng của nó Do không đòi hỏi cơ sở hạ tầng thông tin lắp đặt trước, các thiết bị tính toán di động bật máy lên là có thể liên lạc với nhau được ngay, nên hệ thống thông tin này đặc biệt thích hợp với các hoạt động hiện trường và trong các tình huống khẩn cấp Khác với mạng điện thoại di động truyền thống, mạng di động đa chặng, có tính tự tổ chức và đầy đủ tính năng của một mạng không dây thông thường Hơn thế, các nút trong mạng có thể giao tiếp với nhau nhờ bộ thu phát không dây mà không cần sử dụng đến các thiết bị hạ tầng, các trạm cơ sở Ngoài ra, mạng di động đa chặng có thể hỗ trợ nhiều chuẩn không dây nên các thành phần thiết bị tham gia mạng rất đa dạng, mạng di động đa chặng có thể được thiết lập ở mọi lúc mọi nơi

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 MANET 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 LAN không dây (802.11), đã mang đến một sự thây 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

Communications) 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 MANET Điều này đã khai sinh một dạng mới của mạng MANET 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 tiên 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 MANET, 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 đèn 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 VANET như trong mạng MANET

Dựa vào các ý tưởng trên hệ thống mạng VANET ( Vehicle Ad-hoc Network) ra đời và đã được triển khai thử nghiệm ở một số nước như Hàn Quốc, Mỹ, Ở Việt Nam, việc ứng dụng VANET vào hệ thống giao thông đang là vấn đề thiết thực, tuy lĩnh vực 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 cho thấy trong tương lại nó sẽ là bước đi đầu tiên của ngành xe cộ thông minh của thế giới và chúng ta sẽ không khỏi phủ nhận

Mạng Ad Hoc Di Động Vehicular (VANET) đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu độc đáo và hứa hẹn, nơi mà sự kết hợp giữa các phương tiện di động và các kênh thông tin không dây mở ra những cơ hội mới trong việc tối ưu hóa quản lý giao thông và cảnh báo tai nạn Việc nghiên cứu một giải pháp ứng dụng vào hệ thống giao thống hiện nay

là lí do em chọn thực hiện đề tài: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET

TRONG MÔ PHỎNG MẠNG XE CỘ KẾT HỢP VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH

Nghiên cứu này tập trung vào ứng dụng mạng VANET trong mô phỏng mạng xe cộ, với mục tiêu chính là khám phá khả năng tích hợp và tương tác giữa các phương tiện thông minh thông qua các hoạt động đa kênh Cụ thể, chúng tôi tập trung vào việc thiết kế mô hình mạng VANET đa kênh và phân tích cách các kênh này có thể được tận dụng để cải thiện truyền thông, an toàn và quản lý dữ liệu trong môi trường giao thông động Thách thức lớn của chúng ta là tận dụng sức mạnh của VANET để tạo ra một môi trường thông minh, linh hoạt và an toàn Mô phỏng mạng VANET kết hợp với các hoạt

động đa kênh sẽ không chỉ đặt ra câu hỏi về khả năng tích hợp mà còn đề xuất các giải pháp sáng tạo để tối ưu hóa chia sẻ thông tin và tương tác giữa các phương tiện

Mục tiêu của nghiên cứu này không chỉ là hiểu rõ hơn về cách mạng VANET có thể tương tác với các hoạt động đa kênh, mà còn là đề xuất các giải pháp cụ thể để tối ưu hóa truyền thông giữa các phương tiện và hệ thống giao thông Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc đóng góp vào việc xây dựng các hệ thống thông tin và truyền thông thông minh, giúp cải thiện an toàn và hiệu suất giao thông, đồng thời đảm bảo tích hợp hiệu quả với các công nghệ mới, đặc biệt là các hoạt động đa kênh

Phạm vi của đề tài nghiên cứu: tập trung vào truyền thông giao tiếp giữa các phương tiện với nhau

Chúng tôi sẽ sử dụng mô phỏng trong môi trường MATLAB và Simulink để tái tạo mạng VANET kết hợp với các hoạt động đa kênh Việc này sẽ bao gồm xây dựng mô hình các phương tiện, cơ sở hạ tầng và các kênh thông tin không dây để mô phỏng giao tiếp và truyền dữ liệu giữa chúng

Đề tài “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MẠNG VANET TRONG MÔ PHỎNG MẠNG XE CỘ KẾT HỢP VỚI CÁC HOẠT ĐỘNG ĐA KÊNH” có các nội dung chính sau: - Tìm hiểu về mạng Vanet

- Thu Thập Dữ Liệu: Sử dụng dữ liệu thực từ các tình huống tai nạn và các biến thường gặp trên đường để đào tạo và kiểm thử hệ thống

- Các giải pháp thiết kế mô hình hệ thống - Phát triển mô hình mạng VANET chính xác và phản ánh thực tế - Xem xét cách tích hợp các hoạt động đa kênh vào mô hình để mô phỏng tình huống

thực tế

- Thiết kế mô hình hệ thống

động đa kênh trong môi trường giao thông - Xem xét khả năng mở rộng và tích hợp công nghệ này vào các hệ thống quản lý giao

thông tồn tại

- Viết báo cáo đề tài tốt nghiệp Trong phạm vi cho phép nhóm chỉ mô phỏng hệ thống trên phần mềm matlab và simulink Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lượng kiến thức được truyền

đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết những vấn đề sau:

- Mô phỏng mạng xe cộ với các hoạt động đa kênh, chuyển làn, theo sau xe Bố cục:

- Chương 1 Tổng quan

Chương này trình bày đặt vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các hạn chế và bố cục đồ án

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ dùng để thực hiện thiết kế, thi công cho đề tài

- Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương này giới thiệu tổng quan về các yêu cầu của đề tài về thiết kế và các liên quan đến đề tài

- Chương 4: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Chương này đưa ra nhận xét và đánh giá sản phẩm mô hình đã hoàn thành

- Kết luận và hướng phát triển

Chương này trình bày ngắn gọn những kết quả đã thu được dựa vào những phương pháp, thuật toán đã kiến nghị ban đầu

Chúng tôi tin rằng thông qua nghiên cứu này, chúng ta sẽ có cái nhìn sâu rộng hơn về tiềm năng và ứng dụng của mạng VANET trong mô phỏng mạng xe cộ kết hợp với các hoạt động đa kênh Kết quả dự kiến từ nghiên cứu sẽ không chỉ là cơ sở lý thuyết mà còn là cơ sở thực tế để phát triển các giải pháp thông minh và đột phá trong lĩnh vực giao thông

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề

Năm 2016, Cục Quản lý an toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia (NHTSA) công bố có 37.461 người thiệt mạng trong 34.436 vụ va chạm xe cộ, trung bình 102 vụ mỗi ngày Công nghệ tự lái là một chiến lược hứa hẹn sẽ cứu sống nhiều người Lĩnh vực ô tô đã tập trung vào các công nghệ cho phép xe tự lái trong nhiều năm Hiện tại, các công nghệ tự lái đang tập trung vào các cảm biến phụ trợ như công nghệ Phát hiện ánh sáng và đo phạm vi (LiDAR) và camera quan sát Thật không may, hầu hết các cảm biến đang phải đối mặt với những hạn chế Ví dụ: các thiết bị LIDAR có bán trên thị trường đắt tới 75.000 USD, thậm chí còn cao hơn giá của một chiếc xe thông thường Công nghệ camera tầm nhìn thường cần một môi trường tầm nhìn Ngược lại, công nghệ truyền thông không dây không bị hạn chế nghiêm ngặt bởi môi trường truyền dẫn và do giá thành thấp nên nó đã được áp dụng rộng rãi trên nhiều loại thiết bị di động như điện thoại và máy tính xách tay

Trong nhiều năm qua, mạng và truyền thông không dây đã trở nên quan trọng trên nhiều lĩnh vực, bao gồm cả lĩnh vực ô tô Kể từ khi hệ thống truyền thông analog thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1970 cho đến các mạng kỹ thuật số tốc độ cao mà chúng ta sử dụng hàng ngày, mạng không dây đã được cải thiện đáng kể Do đó, lĩnh vực ô tô đã bắt đầu tận dụng mạng truyền thông không dây để nâng cao mức độ nhận thức tình huống của ô tô tự lái cũng như độ tin cậy của thông tin chúng thu thập được từ môi trường xung quanh Những phương tiện này sử dụng công nghệ liên lạc không dây cho phép chúng liên lạc với nhau bằng thông tin di chuyển và an toàn chung; những phương tiện này được gọi là phương tiện được kết nối Khả năng kết nối hứa hẹn nhận thức tình huống tốt hơn, do đó đạt được khả năng cứu sống những phương tiện này

Mạng phương tiện đã được nghiên cứu rộng rãi trong hai thập kỷ qua Do tính chất phức tạp của môi trường vận hành, bao gồm cấu trúc liên kết mạng thay đổi nhanh chóng, các đặc tính vật lý thay đổi theo thời gian của môi trường truyền sóng và nhu cầu kiểm soát truy cập môi trường mạnh mẽ (MAC) giao thức, mạng xe cộ là một lĩnh vực nghiên cứu đầy thách thức đang được cả giới học thuật và ngành công nghiệp giải quyết

Hình 1.1 Mạng VANET

Mạng Ad-hoc Xe cộ (VANET) là một loại Mạng Ad-hoc Di động (MANET) được thiết kế đặc biệt để di chuyển ô tô VANET hỗ trợ hai loại giao tiếp: giao tiếp giữa xe với xe (V2V) và xe với cơ sở hạ tầng (V2I), như trong Hình 1.1 Đối với liên lạc V2V, các phương tiện được trang bị Bộ phận trên xe (OBU) Giao tiếp V2V được triển khai giữa các OBU phương tiện nhằm mục đích ứng dụng quản lý giao thông và an toàn đường bộ Các phép đo cho V2V DSRC được trình bày trong Đối với liên lạc V2I, Đơn vị bên đường (RSU) được lắp đặt vào cơ sở hạ tầng giao thông, chẳng hạn như đèn giao thông Giao tiếp V2I được thực hiện giữa RSU và OBU

Một trong những ứng dụng do VANET cung cấp là an toàn đường bộ, đây là một trong những động lực chính để triển khai thông tin liên lạc trên phương tiện giao thông Cơ quan Quản lý an toàn Giao thông Đường cao tốc Quốc gia (NHTSA) đã xác định một số tình huống của DSRC trong DOT-HS-821-014 Độ trễ tối đa để các phương tiện nhận được các thông báo khẩn cấp này ảnh hưởng đến khả năng xử lý các hành động nhằm tránh tai nạn Tài liệu tham khảo cho biết mạng lưới xe cộ có khả năng tiết kiệm thời gian và cứu mạng sống Do đó, các ứng dụng mạng xe cộ có thể được phân thành hai loại: ứng dụng liên quan đến an toàn và ứng dụng hiệu quả (ứng dụng không an toàn)

Năm 2011, tổ chức Ứng dụng Truyền thông an toàn Phương tiện (VSC-A) đã tóm tắt 8 tình huống va chạm dựa trên số liệu thống kê về các vụ tai nạn xe cộ thu được từ chính phủ Hoa Kỳ về tần suất, chi phí và thương vong Để giải quyết các tình huống va chạm này, VSC-A đã đề xuất một số ứng dụng an toàn như Đèn phanh điện tử khẩn cấp (EEBL), Cảnh báo điểm mù (BSW)/Cảnh báo chuyển làn đường (LCW) và Hỗ trợ di chuyển khi giao nhau (IMA) Những ứng dụng an toàn này thường được đánh giá trong các mô hình di chuyển của phương tiện giao thông Để đảm bảo các ứng dụng an toàn sẽ hoạt động như mô tả trong các tiêu chuẩn, cần tạo ra các mô phỏng mạng lưới xe cộ chính xác

1.2 Giải pháp công nghệ

Mô phỏng mạng xe cộ có thể được phân loại thành mô phỏng phần cứng và mô phỏng phần mềm Một ví dụ về mô phỏng phần cứng là dự án Mcity của Đại học Michigan, nơi sở hữu một thành phố mô phỏng rộng 32 mẫu Anh và 1.500 phương tiện Chi phí của Mcity năm 2015 là 10 triệu đô la và đầu tư thêm 15 triệu đô la vào năm 2018 Mặt khác, mô phỏng phần mềm là một lựa chọn khác để cung cấp môi trường đánh giá hiệu suất mạng xe cộ với chi phí thấp và độ chính xác khá

Phần mềm mô phỏng mạng xe cộ thường phức tạp vì nó phải xem xét đồng thời mạng di động và mạng truyền thông xe cộ Vị trí và tốc độ của phương tiện có thể ảnh hưởng đến chất lượng liên lạc không dây và thông tin được chia sẻ qua mạng liên lạc phương tiện có thể ảnh hưởng đến các quyết định về đường đi và di chuyển của phương tiện Sự tương tác mạnh mẽ này đòi hỏi các trình mô phỏng di chuyển giao thông phải phối hợp chặt chẽ với các trình mô phỏng mạng xe cộ

Thật không may, vấn đề tương thích đã trở thành một thách thức đáng kể vì cả hai loại trình mô phỏng đều được thiết kế để kiểm soát riêng biệt Sự tương tác này hầu như chưa bao giờ được coi là mục tiêu chính khi thiết kế trình mô phỏng Trong vài năm qua, các nhà nghiên cứu mạng lưới xe cộ đã làm việc chăm chỉ để tạo ra một giao diện giữa hai trường mô phỏng và một số thành tựu đã được đề xuất Dựa trên mức độ tương tác, chúng tôi phân loại trình mô phỏng thành trình mô phỏng chung và trình mô phỏng tích hợp

Hình 1.2 Tương tác trong Mạng chung và Trình mô phỏng lưu lượng truy cập Các luồng giao thông xe cộ được tạo bởi trình mô phỏng giao thông xe cộ và được chuyển

đến trình mô phỏng mạng thông qua giao diện liên lạc của bên thứ 3

Đối với các trình mô phỏng chung được hiển thị trong Hình 1.2, một giao diện được tạo để liên kết các trình mô phỏng di động giao thông và trình mô phỏng mạng hiện có Một ví dụ là dự án iTetris, liên kết trình mô phỏng lưu lượng SUMO với trình mô phỏng mạng NS-2, NS-3 hoặc OMNET Một ví dụ khác là sử dụng TraCI để kết nối SUMO với trình mô phỏng khác như OMNet++ hoặc MATLAB Giao diện ở đây đóng vai trò chuyển tiếp tin nhắn giữa các trình mô phỏng Các luồng lưu lượng được trích xuất từ SUMO và gửi đến trình mô phỏng mạng thông qua giao diện, đồng thời các hướng dẫn từ trình mô phỏng mạng được gửi đến SUMO để thay đổi lưu lượng Ưu điểm của cách tiếp cận chung nhiều lớp này là tận dụng được lợi ích của cả hai trình mô phỏng được phát triển tốt Tuy nhiên, có một hạn chế là sự phức tạp trong thiết kế của giao diện vì nó cần để cả hai trình mô phỏng chạy đồng thời Một hạn chế khác là độ phức tạp của cấu hình, vì người dùng thường cần điều chỉnh một số lượng lớn các tham số trên cả hai trình mô phỏng để mô phỏng hoạt động chính xác

Hình 1.3 Tương tác trong Mạng tích hợp và Trình mô phỏng lưu lượng truy cập Thông tin theo dõi phương tiện được chuyển trực tiếp đến trình mô phỏng mạng, tại đó

trình mô phỏng mạng thực hiện mô phỏng mạng và trả về kết quả

Một giải pháp khác là kết hợp các trình mô phỏng mạng và lưu lượng vào một trình mô phỏng duy nhất nhằm mục đích tương tác đầy đủ Loại trình mô phỏng này được gọi là trình mô phỏng tích hợp như trong Hình 1.3, có khả năng để cả hai trình mô phỏng hoạt động và tương tác hoàn hảo Một số ví dụ là MoVes, trình mô phỏng NCTUns và VISSIM Những hạn chế chủ yếu đến từ mạng lưới đơn giản hóa quá mức hoặc các mô hình di động Ví dụ: một số trình mô phỏng chỉ có mô hình truyền sóng vô tuyến cơ bản với CSMA/CA là lớp MAC

Mô hình lớp PHY trong NS-3 tích hợp một số thành phần đặc trưng của VANET ở cấp độ gói Một điểm khác biệt giữa nền tảng MATLAB và NS-3 trong mô phỏng VANET là cách triển khai lớp PHY Trình mô phỏng VANET dựa trên MATLAB được đề xuất trong luận án này thực hiện tất cả quá trình xử lý tín hiệu ở mức bit và truyền tín hiệu không dây bằng cách sử dụng Hộp công cụ hệ thống MATLAB WLAN như trong MATLAB, giúp tăng độ chính xác khi so sánh với NS3 về tỷ lệ lỗi bit mô hình ở đầu thu Hơn nữa, trong mô hình MATLAB/Simulink, việc thay thế kênh không dây mô phỏng bằng phần cứng vô tuyến thực như USRP là khả thi

1.2 Đóng góp nghiên cứu

Trong luận án này, chúng tôi trình bày một trình mô phỏng mạng xe cộ tích hợp, VANET Toolbox, hoạt động trong môi trường MATLAB/Simulink Hộp công cụ VANET bao gồm nhóm giao thức mạng xe cộ chính bao gồm lớp ứng dụng (APP), lớp điều khiển truy cập môi trường (MAC) và lớp vật lý (PHY) Một số mô hình di chuyển bao gồm theo dõi ô tô, chuyển làn cũng như quản lý giao lộ được nhúng trong lớp APP Mục đích thiết kế của VANET Toolbox là cung cấp một khung môi trường mô phỏng xe cộ để nhiều nhà phát triển hơn có thể tiếp tục cải thiện nó

Những đóng góp của bài viết này được tóm tắt như sau: • Môi trường mô phỏng mạng xe cộ mới được đề xuất là một loại mô phỏng tích hợp kết

hợp cả mô phỏng giao thông xe và mô phỏng mạng với nhau Nó hỗ trợ sự kết hợp giữa môi trường mô phỏng theo thời gian và theo sự kiện Khung thiết kế hoạt động đa kênh được cung cấp chi tiết và có thể áp dụng cho bất kỳ ngôn ngữ lập trình DES nào • Hiệu suất truyền thông kênh đơn được đánh giá với môi trường mô phỏng được đề xuất Lớp PHY cấp độ bit được đề xuất cho thấy độ chính xác của nó khi so sánh với NS-3 cấp độ gói Các mô phỏng chứng minh rằng sơ đồ EDCA trong kịch bản kênh đơn có thể cho phép dữ liệu có mức độ ưu tiên khác nhau cùng tồn tại trong cùng một kênh và sơ đồ EDCA có hiệu quả trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) của các tin nhắn liên quan đến an toàn có mức độ ưu tiên cao hơn Hai kế hoạch chuyển làn phối hợp dựa trên liên lạc V2V kênh đơn được đánh giá và hiệu quả giao thông tổng thể có thể được nâng cao nhờ liên lạc giữa các phương tiện

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về hệ thống giao thông thông minh:

2.1.1 Hệ thống giao thông thông minh ITS:

ITS (Intelligent Transportation System) là hệ thống giao thông thông minh cải thiện an toàn, linh động và nâng cao hiệu suất giao thông bằng cách sử dụng công nghệ thông tin hiện đại nhằm giảm thiểu ách tắc, cải thiện độ an toàn và nâng cao hiệu quả hoạt động xã hội của giao thông vận tải Theo định nghĩa của Canada, ITS được hiểu như sau “Là việc áp dụng những công nghệ mới và cao cấp (bao gồm các máy tính, các cảm biến, điều khiển, kiểm soát, kết nối truyền thông và các thiết bị điện tử) trong lĩnh vực giao thông nhằm đảm bảo an toàn, tiết kiệm thời gian, tiền bạc, nhiên liệu và bảo vệ môi trường”

Định nghĩa này áp dụng cho tất cả các phương thức giao thông vận tải, bao gồm giao thông mặt đất như phương tiện giao thông cá nhân, phương tiện giao thông công cộng thương mại, cũng như tàu hoả, tàu thuỷ và giao thông hàng không Thuật ngữ ITS không đơn thuần chỉ các phương tiện tham gia giao thông mà còn bao hàm cả cơ sở hạ tầng, người điều khiển phương tiện hoặc người sử dụng, tham gia trong môi trường tương tác động Chỉ xét riêng trong lĩnh vực giao thông mặt đất, hiện đang có rất nhiều những phát triển quan trọng liên quan tới ITS, không ít thành quả đã được ứng dụng trong thực tế ở một số phương diện như hệ thống định vị dẫn đường xe ôtô, hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông, giải pháp nhận dạng tự động bằng lái xe, hệ thống hướng dẫn đỗ xe, hệ thống chiếu sáng công cộng trên các tuyến đường

Một trong những khía cạnh quan trọng của ITS là tạo mối liên lạc trong hoạt động của các phương tiện tham gia giao thông, bao gồm việc truyền số liệu giữa phương tiện đến phương tiện, phương tiện đến hạ tầng quản lý (và ngược lại, thường được biết đến bằng thuật ngữ viết tắt V2X) Số liệu từ các phương tiện có thể được thu nhận và phát truyền tiếp tới các phương tiện khác hoặc tới máy chủ đặt tại trung tâm để xử lý hay điều khiển Những số liệu này có thể bao gồm toạ độ chính xác của phương tiện trong chế độ thời gian thực, được sử dụng để cải thiện khả năng sẵn sàng tình huống của người điều khiển phương tiện và giám sát dòng phương tiện đang tham gia trên các tuyến đường Việc sử dụng V2X được biết đến với tên gọi phối hợp định vị phương tiện giao thông

Một số dự án ứng dụng ITS tại các thành phố:

Hiện nay, tại các đô thị lớn của Việt Nam (Hà Nội, Đà Nẵng, Tp Hồ Chí Minh), đã và đang triển khai xây dựng hệ thống giám sát, điều hành giao thông Các dự án này sử dụng hệ thống camera giám sát, trung tâm điều khiển giao thông, hệ thống radio để thu thập thông tin, điều hành giao thông và cung cấp thông tin cho người sử dụng

Tại Hà Nội, Trung tâm Điều khiển giao thông đã chính thức đưa vào hoạt động từ năm 2000 với hệ thống thiết bị của hãng SAGEM điều khiển đèn tín hiệu giao thông do Chính phủ Pháp tài trợ Có thể nói đây là ứng dụng đầu tiên của công nghệ ITS trong khu vực đô thị ở Việt Nam Đến nay, trung tâm này đã được nâng cấp nhiều lần và vẫn đang hoạt động hiệu quả, góp phần giám sát, điều hành giao thông toàn thành phố

Đề án thí điểm xây dựng mô hình quản lý Đại lộ Thăng Long với sự hình thành của Trung tâm Quản lý đường cao tốc Hà Nội Trung tâm này sẽ quản lý an toàn giao thông, tiếp cận xử lý tai nạn giao thông và các biện pháp phòng ngừa; quản lý hệ thống thông tin; thực hiện công tác bảo hành, sửa chữa… Trung tâm sẽ ứng dụng các công nghệ thông tin hiện đại trong quản lý như đếm, phân loại phương tiện giao thông tự động; hệ thống camera giám sát; hệ thống bảng thông báo điện tử; kiểm soát xe quá tải, quá khổ… Dự án REMON được triển khai tại Hà Nội với mục tiêu theo dõi và xác định trực tuyến lưu lượng giao thông đồng thời tạo ra nguồn dữ liệu giao thông cho cả giai đoạn ngắn hạn và dài hạn Dự án này sử dụng các phương tiện giao thông được giám sát (tốc độ và hướng chuyển động), định vị qua hệ thống GPS để thu thập các số liệu và phản ánh tình trạng dòng giao thông, phát hiện các vị trí ùn tắc qua đó cung cấp thông tin cho người sử dụng Các thông tin thu thập phục vụ công tác quản lý, điều hành giao thông, đánh giá quy hoạch và các giải pháp tổ chức, điều khiển giao thông, xây dựng quy hoạch, chiến lược phát triển dài hạn để giải quyết các vấn đề giao thông

Tại Đà Nẵng, Sở GTVT Đà Nẵng phối hợp với IBM xây dựng chương trình ITS cho toàn thành phố Trung tâm Điều hành đèn tín hiệu giao thông và vận tải công cộng TP Đà Nẵng tiến hành lắp đặt hệ thống camera giám sát giao thông, hỗ trợ giám sát, điều hành và giúp lực lượng công an giám sát các vi phạm và tiến tới thực hiện “xử phạt nguội” Dự án xây dựng và nâng cấp hệ thống tín hiệu và điều khiển giao thông TP Đà Nẵng, thực hiện từ năm 2004 đến năm 2023 từ nguồn vốn ODA của Tây Ban Nha, tiến hành điều khiển phối hợp các nút giao thông trên một số tuyến đường theo hình thức “làn sóng xanh”

Tại Tp Hồ Chí Minh, trung tâm điều khiển giao thông cũng đã được xây dựng Hệ

đến 2023” nhằm “Nghiên cứu thử nghiệm và đưa vào ứng dụng các giải pháp công nghệ cho ITS nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và phát triển hệ thông cơ sở hạ tầng giao thông hiện hữu trên địa bàn thành phố, góp phần giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông” Trong lĩnh vực giao thông công cộng, việc ứng dụng ITS cũng bắt đầu được nghiên cứu và triển khai thực hiện thông qua hệ thống biển báo điện tử cung cấp thông tin về khoảng cách xe đến trạm dừng cho hành khách (được lắp đặt tại các trạm xe buýt) Sắp tới, tại Hà Nội và Tp Hồ Chí Minh, một số tuyến đường sắt đô thị sẽ được đưa vào khai thác và dự kiến sẽ sử dụng hệ thống thẻ thanh toán thông minh theo tiêu chuẩn công nghệ của Nhật Bản để phục vụ công tác mua vé Ngoài ra, Nhật Bản cũng đang giúp hai thành phố này thực hiện dự án “Cải tạo giao thông công cộng” thí điểm sử dụng thẻ thông minh cho xe buýt

Việc sử dụng hệ thống radio VOV giao thông trong việc thu thập, cung cấp thông tin, điều tiết giao thông đã mang lại nhiều hiệu quả tích cực tại Thủ đô Hà Nội, Hầm đường bộ Hải Vân Đây là một phương thức đơn giản nhưng hiệu quả, góp phần hạn chế ùn tắc giao thông trong đô thị và các khu vực trọng điểm

2.1.2 Chuẩn truy cập không dây trong hệ thống giao thông thông minh:

Trong phần này sẽ trình bày một số chuẩn truy cập không dây được sử dụng trong kết nối Tổng thể, mục đích của các chuẩn truy cập này là để cung cấp cổng giao tiếp trong môi trường không dây và các thông số cho truyền thông xe cộ tốc độ cao bằng cách sử dụng một hoặc nhiều hơn phương tiện truyền thông sẳn có

Những cải tiến của công nghệ kết nối mạng Ad-hoc đã thúc đẩy sự xuất hiện của mạng VANET Hiện nay, nó đang được thảo luận về việc sử dụng các công nghệ khác nhau mà không yêu cầu bất kỳ cơ sở hạ tầng cho phát triển mạng lưới giao thông

2.1.2.1 WiFi (Wireless Fidelity):

Đề cập đến bất kì chuẩn wifi nào trong giao thức họ wifi IEEE 802.11 Cụ thể hơn, WiFi là chuẩn công nghiệp cho các sản phẩm được xác định bởi WiFi Alliance và phù hợp với tiêu chuẩn IEEE 802.11 Chuẩn WiFi định nghĩa các giao thức thông qua môi trường không khí cần thiết cho việc hỗ trợ kết nối mạng trong một khu vực và nó chỉ ra cụ thể lớp vật lí (PHY) và lớp MAC

Tiêu chuẩn IEEE 802.11b và IEEE.11g, cung cấp 11 Mbps và 54 Mbps tốc độ truyền tương ứng trong băng tần 2.4 GHz với tầm phát tối đa là 500m Hầu hết các thiết bị di động như PDA, điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay, được trang bị phần cứng cần thiết để sử dụng cả 2 tiêu chuẩn này IEEE 802.11a là một phiên bản mở rộng của

801.11 cung cấp tốc độ lên đến 54 Mbps trong băng tần 5 GHz sử dụng cơ chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Tốc độ truyền tải được tăng lên với chuẩn IEEE 802.11n với một băng thông lên đến 500 Mbps Ngoài ra, còn có các chuẩn trong họ 802.11 như là cải tiến an ninh cho MAC (IEEE 802.11i), cải tiến chất lượng dịch vụ QoS cho MAC (IEEE 802.11e) …

2.1.2.2 WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access):

WiMAX là một chuẩn phát triển bởi IEEE 802.16 Nó được định nghĩa như là một phương thức để thay thế cho cáp và xDSL cung cấp truy cập không dây với băng thông rộng với tầm phát với khoảng cách xa Đây là loại kết nối hoạt động trên băng tần được cấp phép hoặc không có giấy phép Một quan niệm sai lầm cho rằng WiMAX có thể cung cấp tốc độ 70 Mbps trên 50 km Tuy nhiên, WiMAX chỉ có thể lựa chọn là tốc độ cao hơn hoặc là truyền trên một khoảng cách xa hơn chứ không phải là cả hai Hoạt động ở phạm vi tối đa 50km làm tăng tỉ lệ lỗi bit và do đó làm giảm tốc độ truyền đi Ngược lại khi giảm phạm vi hoạt động cho phép thiết bị hoạt động ở tốc độ bit cao hơn Trong nghiên cứu, họ đã đo hiệu suất với các kịch bản khác nhau, nhận được một băng thông tối đa là 20 Mbps với khoảng cách 6 km Sau khi công bố các tiêu chuẩn IEEE 802.16 vào năm 2002, một số phiên bản mới xuất hiện như IEEE 802.16e cho các thiết bị di động

2.1.2.3 Bluetooth

Công nghệ Bluetooth (IEEE 802.15.1) ban đầu được phát triển bởi công ty điện thoại di động Ericsson vào năm 1994 Nó là hệ thống thông tin vô tuyến tầm ngắn được thiết kế như là một giải pháp không dây để giao tiếp nối tiếp như RS232 để truyền thông các thiết bị như điện thoại di động, PDA, máy tính xách tay, tai nghe… Đặc điểm tiêu thụ năng lượng thấp và chi phí rẻ nên nó được cài đặt vào trong các thiết bị di động Đây hiện là công nghệ truyền thông phổ biến nhất cho WPAN (Wireless Personal Area Network) Có 3 lớp Bluetooth phần theo phạm vi bao phủ và năng lượng tiêu thụ như bảng 2.2, tốc độ truyền tải lên đến 3 Mbps và phạm vi truyền lên đến 100 m Chúng đều hoạt động trên băng tần miễn phí với cơ chế bảo mật đủ mạnh

Bảng 2.1 Các lớp bluetooth

Bảng 2.2 So sánh công nghệ mạng không dây dành cho hệ thống giao thông thông

2.2 Tổng quan về mạng MANET (Mobile Ad-hoc Network)

2.2.1 Khái niệm cơ bản:

Các thiết bị di động như các máy tính xách tay, với đặc trưng là công suất CPU, bộ nhớ lớn, dung lượng đĩa hàng trăm gigabyte, khả năng âm thanh đa phương tiện và màn hình màu đã trở nên phổ biến trong đời sống hàng ngày và trong công việc Đồng thời, các yêu cầu kết nối mạng để sử dụng các thiết bị di động gia tăng đáng kể, bao gồm việc hỗ trợ các sản phẩm mạng vô tuyến dựa trên vô tuyến hoặc hồng ngoại ngày càng nhiều Với kiểu thiết bị điện toán di động này, thì giữa những người sử dụng di động luôn mong muốn có sự chia sẻ thông tin

Một mạng tùy biến là một tập hợp các thiết bị di động hình thành nên một mạng tạm thời mà không cần sự trợ giúp của bất kỳ sự quản lý tập trung hoặc các dịch vụ hỗ trợ chuẩn nào thường có trên mạng diện rộng mà ở đó các thiết bị di động có thể kết nối được Các node được tự do di chuyển và thiết lập nó tùy ý Do đó, topology mạng không dây có thể thay đổi một cách nhanh chóng và không thể dự báo => Nó có thể hoạt động một mình hoặc có thể được kết nối tới internet

Hình 2.1 Mạng MANET

không dây, nằm phân tán về mặt địa lý tạo thành một mạng tạm thời mà không sử dụng bất cứ cấu trúc hạ tầng mạng có sẵn hay quản lý tập trung nào Mối thiết bị

kết nối trực tiếp với các thiết bị khác trong mạng, các nút di động trao đổi trực

tiếp với nhau thông qua một bộ biến đổi vô tuyến Về cơ bản, hai máy tính được thêm Card adapter vô tuyến có thể hình thành một mạng độc lập khi chúng ở trong dải tần của nhau Mô hình này thích hợp cho việc kết nối một nhóm nhỏ các thiết bị và không cần giao tiếp với các hệ thống mạng khác, như trong các hội nghị thương mại hoặc trong các nhóm làm việc tạm thời Các mạng hình thành theo nhu cầu như vậy không nhất thiết phải quản lý hay thiết lập cấu hình từ trước Nút di động có thể truy cập vào các tài nguyên của máy khác mà không trải qua một máy trung tâm Tuy nhiên, chúng có thể có những nhược điểm vùng phủ sóng bị giới hạn, mọi người sử dụng đều nghe được lẫn nhau

Trong chuẩn IEEE 802.11 tham chiếu với mô hình OSI (Open Systems Interconnection), tầng liên kết dữ liệu gồm hai tầng con là MAC và LLC (Logical Link Control)

Tầng MAC: Chịu trách nhiệm tạo khuôn dạng gói số liệu theo cấu trúc quy định Điều khiển việc truy nhập vào kênh truyền chung một cách bình đẳng đồng thời phát hiện và

Tầng LLC: Chịu trách nhiệm thực hiện các biện pháp điều khiển lưu lượng và điều khiển tắc nghẽn, đồng thời phát hiện lỗi và sửa lỗi Nhiệm vụ chung của lớp con LLC là đảm bảo chuyển tiếp số liệu chính xác giữa các thực thể cuối của giao thức trao đổi số liệu và hỗ trợ ứng dụng ở các mức chức năng cao hơn trong LAN Ngoài ra, tầng LLC còn sử dụng các dịch vụ của tầng MAC để cung cấp dịch vụ vận chuyển giống nhau cho tầng mạng bên trên Trong mạng Ad hoc, mỗi nút mạng đóng vai trò là trạm trung chuyển của các nút khác

Giao thức MAC trong chuẩn IEEE 802.11 cho việc truy cập đường truyền trong WLANs là một chuẩn không chính thức (de facto) cho các mạng Ad hoc Trong môi trường mạng Ad hoc, các thiết bị di động của người dùng hình thành nên mạng và chúng phải cộng tác với nhau để cung cấp chức năng thông thường được cung cấp bởi cơ sở hạ tầng mạng (ví dụ routers, switches, và servers) Cách tiếp cận này đòi hỏi mật độ người dùng phải đủ lớn để đảm bảo việc chuyển tiếp các gói tin giữa bên gửi và bên nhận Nếu mật độ người dùng thấp, mạng có thể trở nên không hoạt động được Tuy nhiên, nếu mật độ người dùng cao thì hiệu năng của mạng như độ trễ, tính công bằng sẽ suy giảm nghiêm trọng Trong các mạng Ad hoc đa chặng, các trạm cộng tác để chuyển

tiếp các gói tin từ các trạm khác qua mạng Do đó, một trạm phải truyền đi cả luồng

trực tiếp (direct flow), sinh ra bởi chính trạm đó và các luồng chuyển tiếp (forwarding

flow), được sinh ra bởi các trạm hàng xóm, do đó nó chia sẻ dung lượng kênh truyền với các trạm hàng xóm Hiệu ứng của sự tranh chấp tại tầng MAC và tầng liên kết sẽ ảnh hưởng đến hiệu năng của mạng, đặc biệt là sự công bằng

Trong mạng không dây, tránh xung đột phải được thực hiện để đảm bảo các gói tin đến được đích Để giảm thiểu xung đột, Chức năng điều phối phân tán – DCF (Distributed Coordination Function) dựa trên phương pháp điều khiển CSMA/CA yêu cầu một nút muốn truyền phải lắng nghe môi trường trong một khoảng thời gian DIFS (DCF InterFrame Space) Trong khoảng thời gian này, nếu nút cảm nhận môi trường đang bận, nó sẽ trì hoãn quá trình truyền của chính mình Khi có nhiều nút đồng thời đang chờ cảm nhận môi trường, chúng cũng sẽ đồng thời nhận thấy kênh truyền được giải phóng và sau đó cố gắng truy cập kênh truyền cùng một lúc Do đó, xung đột có thể xảy ra

2.2.2 Các đặc điểm chính của mạng MANET:

Mỗi nút di động khác nhau trong mạng MANET đều có những đặc điểm về nguồn năng lượng, bộ phận thu phát sóng khác nhau Chúng có thể di chuyển về mọi hướng

theo các tốc độ khác nhau, do đó ta có thể nhận thấy rõ một số đặc điểm chính của mạng MANET như sau:

• Thiết bị tự trị đầu cuối: Trong Manet, mỗi thiết bị di động đầu cuối là một node tự

trị Nó có thể mang chức năng của một thiết bị đầu cuối và thiết bị định tuyến Vì vậy thiết bị đầu cuối và định tuyến là không thể phân biệt được trong mạng Manet

• Phân chia hoạt động: Vì không có hệ thống mạng nền tảng cho trung tâm kiểm soát

hoạt động của mạng, nên việc kiểm sát và quản lý hoạt động của mạng được chia cho các thiết bị đầu cuối Các node trong MANET đòi hỏi phải có sự phối hợp với nhau

• Định tuyến đa đường: Thuật toán định tuyến không dây cơ bản có thể định tuyến

một chặng và nhiều chặng dựa vào các thuộc tính liên kết khác nhau và giao thức định tuyến Singlehop Manet đơn giản hơn multihop ở vấn đề cấu trúc và thực hiện với chi phí thấp và ít ứng dụng Khi truyền các gói dữ liệu từ một nguồn của nó đến điểm trong phạm vi truyền tải trực tiếp không dây, các gói dữ liệu sẽ được chuyển tiếp qua một hoặc nhiều trung gian các nút

• Sơ đồ mạng động: vì các node là di động, nên cấu trúc mạng có thể thay đổi nhanh và

không biết trước và các kết nối giữa các thiết bị đầu cuối có thể thay đổi theo thời gian MANET sẽ thích ứng tuyến vàđiều kiện lan truyền giống như mẫu di động và các node mạng di động Các node di động các nút trong mạng thiết lập định tuyến động với nhau khi chúng di chuyển, hìnhthành mạng riêng của chúng trong không trung Hơn nữa, một User trong Manet có thể không chỉ hoạt động trong mạng lưới di động đặc biệt, mà còn có thể yêu cầu truy cập vào một mạng cố định công cộng (Ví dụ: Internet)

• Dao động về dung lượng liên kết: Bản chất tỉ lệ bit lỗi cao của kết nối không dây cần

quan tâm trong mạng MANET Từ đầu cuối này đến đầu cuối kia có thể được chia sẻ qua một vài chặng Kênh giao tiếp ở đầu cuối chịu ảnh hưởng của nhiễu, hiệu ứng đa đường, sự giao thoa, và băng thông của nó ít hơn so với mạng có dây Trong một vài tình huống, truy cập của hai người dùng có thể qua nhiều liên kết không dây và các liên kết này có thể không đồng nhất

• Tối ưu hóa cho thiết bị đầu cuối: Trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng

MANET là thiết bị với tốc độ xử lý của CPU thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít Vì vậy cần phải tối ưu hóa các thuật toán và cơ chế

• Băng thông hạn chế: Các liên kết không dây có băng thông thấp hơn so với đường

• Bảo mật yếu: Đặc điểm của mạng MANET là truyền sóng qua môi trường không khí,

điều này khiến cho cơ chế bảo mật kém hơn so vơi môi trường truyền cáp vì nó tiềm ẩn nhiều nguy cơ bị tấn công, nghe lén đường truyền, giả mạo, DoS…

• Tối ưu hóa thiết kế: Trong hầu hết các trường hợp các node trong mạng MANET là

thiết bị với tốc độ xử lý của CPU thấp, bộ nhớ ít và lưu trữ điện năng ít Vì vậy cần phải tối ưu hóa các thuật toán và cơ chế

• Chi phí: chi phí có thể giảm khi sử dụng kỹ thuật không dây, thiết bị hoạt động theo

chuẩn 802.11 có thể dùng để tạo cầu nối không dây giữa hai tòa nhà; để thiết lập một cầu nối không dây càn những chi phí ban đầu như thiết bị ngoài trời, các điểm truy cập và những giao tiếp không dây

2.2.3 Ứng dụng của MANET:

Ở bảng 2.3 cung cấp 1 cái nhìn tổng quan về những ứng dụng của MANET ở hiện tại cũng như trong tương lai

Bảng 2 3 Ứng dụng MANET

ỨNG DỤNG CỦA MOBILE AD HOC NETWORK APPLICATION ( MANET)

quân đội • Tự động hóa chiến trường

• Khắc phục thảm họa • Thay thế hệ thống mạng cố định trong

trường hợp thiên tai, thảm họa • Cảnh báo và phòng chữa cháy • Hổ trợ các bác sĩ và y tá trong các bệnh

viện

mọi lúc mọi nơi

động, văn phòng office di động

lưu lượng trên đường, thông tin thời tiết,

thành lập mạng giữa các phương tiện xe

cộ với nhau

thương mại, trung tâm mua sắm.

• Phòng hội nghị, phòng họp • Mạng cá nhân Personal Area Networks

(PÁN), Personal Networks (PN) Ví dụ: Home networking,Bluetooth và Zigbee • Mạng lưới tại các địa điểm xây dựng

khuân viên trường

cuộc họp hay những buổi học

dùng

thông minh và truyền động nhúng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng

biến được gắn vào người

môi trường, sự di chuyển của động vật, phát hiện hóa học/ sinh học

2.3 Tổng quan về mạng VANET:

2.3.1 Khái niệm cơ bản:

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, Trong thực tế, hệ thống đầu tiên được tích hợp công nghệ này là các xe của cảnh sát và lính cứu hỏa nhằm liên lạc trao đổi thông tin với nhau phục vụ cho công tác cứu hộ, đảm bảo an ninh trật tự

Mạng phương tiện phi cấu trúc – VANET (Vehicular Ad hoc Network) được sử dụng trong ITS để điều khiển truyền thông không dây trong môi trường phương tiện VANET được thiết kế để cung cấp một môi trường truyền thông tin cậy và an toàn cho người dùng bằng cách giảm thiểu tai nạn giao thông, tắc đường và tiêu hao nhiên liệu, Người dùng trong mạng VANET có thể nhận được thông báo về các tình huống khẩn cấp bằng cách truyền thông giữa các phương tiện và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh Năm 1970, một hệ thống dẫn đường điện tử được đề xuất ở Mỹ Người lái xe gán cho phương tiện một mật mã nơi đích đến Tại mỗi giao lộ, phương tiện sẽ gửi mã tới trạm bên đường để nhận được các hướng dẫn di chuyển Tại Nhật Bản, hệ thống kiểm soát giao thông tự động toàn diện được thực hiện từ năm 1973 đến năm 1979 để giảm tắc nghẽn giao thông, khí thải và ngăn ngừa tai nạn Năm 1986, chương trình PROMETHEUS được khởi xướng ở Châu Âu, bao gồm ba chương trình phụ để hỗ trợ người lái xe, truyền thông V2V và V2I Bắt đầu từ năm 1990 và cho đến sau này, một số hoạt động nghiên cứu đã được thực hiện ở Nhật Bản, Mỹ và Châu Âu tập trung vào hỗ trợ người lái xe và ứng dụng an toàn Vào năm 1999, Uỷ ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ đã phân bổ băng thông 75 MHz của dải tần 5.9 GHz cho Công nghệ truyền thông tầm ngắn chuyên dụng - DSRC (Dedicated Short Range Communication)

Năm 2004, IEEE bắt đầu nghiên cứu về chuẩn 802.11p và tính năng Truy cập không dây trong môi trường phương tiện - WAVE (Wireless Access in Vehicular Environments) để trở thành một phần của DSRC Năm 2005, bộ giao thông vận tải Mỹ đã đưa một số ứng dụng triển khai trên mạng VANET như thanh toán điện tử, vị trí phương tiện và thu thập dữ liệu tốc độ cao, hiển thị thông báo và chỉ dẫn tín hiệu giao thông cho người lái xe Vào năm 2010, IEEE đã hoàn thiện thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.11p đây là một bản sửa đổi đã được phê duyệt cho tiêu chuẩn IEEE 802.11 để bổ sung tính năng WAVE Tiêu chuẩn IEEE 802.11p xác định các cải tiến cần thiết đối với chuẩn IEEE 802.11 để hỗ trợ các ứng dụng trong hệ thống giao thông thông minh

Mục tiêu chính của VANET được thiết kế để cải thiện an toàn và hiệu quả giao thông trên đường trong môi trường phương tiện Các mạng này đặt ra một số vấn đề quan trọng để nghiên cứu trong học viện và các ngành công nghiệp

Hình 2.2 Tổng quan về mạng VANET

Thông tin trao đổi trong mạng VANET bao gồm thông tin về lưu lượng xe cộ, tình trạng kẹt xe, thông tin về tai nạn giao thông, các tình huống nguy hiểm cần tránh và cả những dịch vụ thông thường như đa phương tiện, Internet, … Các xe sẽ liên lạc với nhau (Car-to-Car Communication hay M2M (Machine-to-Machiner Communication) để chia sẽ thông tin lẫn nhau

Mục đích chính của VANET là cung cấp sự an toàn và thoải mái cho hành khách Các thiết bị điện tử đặc biệt được đặt bên trong các phương tiện giao thông sẽ cung cấp kết nối mạng Adhoc cho các hành khách Mạng này hướng đến hoạt động mà không cần cấu trúc hạ tầng cho phép các liên lạc đơn giản Mỗi thiết bị hoạt động 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 Xét trường hợp xảy ra va chạm giữa các phương tiện trên đường, các tín hiệu cảnh báo sẽ được gửi đi thông qua mạng VANET

giải quyết sự cố, đảm bảo an toàn cho các phương tiện khác Người tham gia giao thông cũng có thể kết nối Internet thông qua mạng VANET, thậm chí có thể sử dụng các dịch vụ đa phương tiện như trao đổi thông tin hình ảnh, video, gọi điện video Ngoài ra, thông qua mạng VANET, các phương tiện tham gia giao thông có thể tự động thanh toán các cước phí gửi xe, phí cầu đường, …

Đặc điểm của mạng VANET cũng giống với công nghệ hoạt động của mạng MANET đó là: quá trình tự tổ chức, tự quản lý, băng thông thấp và chia sẻ đường truyền vô tuyến Tuy nhiên điểm khác biệt chính của VANET và MANET là ở chỗ: các node mạng (xe cộ) di chuyển với tốc độ cao và không xác định khi truyền tín hiệu cho nhau

Vấn đề đặt ra là chúng ta cần tìm hiểu, đánh giá giao thức định tuyến cho mạng VANET dựa trên kiến trúc mạng MANET để phù hợp với tính di động của các node mạng trong mạng VANET

VANET là một mạng có những đặc tính riêng, cơ bản nhất là nó không yêu cầu cơ sở hạ tầng như các hệ thống vô tuyến khác: không cần Base Station như những hệ thống di động khác nhau (GSM CDMA, 3G); không cần đồng bộ Access Point để hỗ trợ cho Wifi và Wimax Về yếu tố khoảng cách, VANET có thể khắc phục giới hạn của truyền dẫn sóng vô tuyến nhờ vào các nút trung gian Tuy nhiên, do giao tiếp mà không cần cơ sở hạ tầng, lại dùng biến đổi định tuyến qua nhiều tầng nên rất nhiều khả năng bị “nghe trộm” hoặc là thông tin truyền đi có thể sai lệch Trong mạng việc truyền tin tức giao thông giữa các xe với nhau là rất quan trọng, điều đó có thể có tác dụng tốt (nếu như thông tin được truyền đi phản ánh đúng tình hình giao thông hoặc các sự cố trên giao lộ) nhưng cũng có thể gây ra những tác động nguy hiểm khôn lường (nếu như thông tin do một xe truyền đi là không chính xã hoặc sai lệch) Sở dĩ như vậy khi theiest kế mạng này, thường thì các thông tin sẽ được phát quảng bá và được trung chuyển qua nhiều nút điều đó gây ra ảnh hưởng như “phản ứng dây truyền”

Hình 2.3 Hệ thống mạng Vanet

2.3.2 Các đặc điểm của mạng VANET

• Các node mạng di chuyển với tốc độ cao: Nếu hai xe di chuyển ngược chiều với tốc

độ 25m/s (90km/h) và phạm vi truyền dẫn khoản 250m thì kết nối giữa hai xe chỉ kéo dài khoản 5s

• Thường xuyên ngắt kết nối mạng: Như giả thiết nêu trên thì sau 5s hai chiếc xe đã ngắt

kết nối với nhau, để đảm bảo kết nối thông suốt thì chúng ta phải thiết lập liên kết khác với xe gần đó Trong các trường hợp ngắt kết nối như vậy, đặc biệt trong khu vực mật ddoooj xe thấp thì thường xuyên xảy ra việc ngắt kết nối mạng, giải pháp là có các node mjang chuyển tiếp

• Mô hình chuyển động và dự đoán: Chúng ta cần các thông tin về vị trí các node và sự

chuyển động của chúng, rất khó để đoán chuyển động của các xe Để kiến trúc mạng hoạt động hiệu quả chúng ta cần phải nghiên cứu mô hình chuyển động và dự đoán chuyển động từ trước

• Môi trường truyền thông tin: Mô hình các node(xe) chuyển động trên hệ thống đường

cao tốc, chuyển động một chiều điều này là dễ dự đoán được nhưng cấu trúc đường phố, mật độ xe, tòa nhà, cây cối lại gây ra cản trở quá trình chuyển thông tin

• Hạn chế trễ cứng: Các vấn đề an toàn (tai nạn, phanh xe, …) của node mạng phải

thông báo đến các node mạng liên quan Điều này đơn giản không thể thỏa hiệp với

• Tương tác với onboard cảm biến: Cảm biến này sẽ giúp cung cấp các vị trí nút và

chuyển động của các node để sử dụng cho liên kết truyền thông hiệu quả và mục đích định tuyến 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, chẳng 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 Điều này giúp cho hiểu quả trong truyền thông cũng như quyết định định tuyến

2.3.3 Các thách thức của mạng VANET

VANET là một ví dụ cụ thể của mạng MANET, MANET có cơ sở hạ tầng cố định và dựa trên csc nút ban đầu để hình thành định tuyến và các chức năng quản lý mạng Tuy nhiên, mạng xe cộ hoạt động khác hơn so với mạng MANET thông thường Các hạn chế về di động, tốc độ cao tạo nên điểm đặc biệt của VANET Những đặc điểm này có ý nghĩa quan trọng trong thông tin liên lạc giữa các xe

• Vận tốc nút

Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của tính di động trong VANET là vận tốc nút thay đổi liên tục Trong trường hợp này, các nút hiển thị cho các xe hoặc các thiết bị bên đường (RSU) Vận tốc nút có thể biến đổi từ 0 (cho các RSU đặt cố định, hoặc các xe đang đứng yên, tắc đường) cho đến mức xe chuyển động 200km/h Đặc biệt, điều này gây ra thách thức lớn cho thông tin liên lạc Trong trường hợp vận tốc nút cao, cửa sổ liên lạc wireless sẽ rất ngắn do phạm vi truyền tương đối nhỏ (khoảng vài trăm mét) Ví dụ, hai ô tô chuyển động ngược chiều nhau với vận tốc 90km/h=25m/s, giả định khả năng truyền của mỗi nút là 300m thì chúng có thể chỉ giao tiếp trong 2s

Hơn nữa, các máy thu phát còn gặp phải các hiện tượng như hiệu ứng Droppler Trong việc xem xét các vấn đề liên quan đến phương tiện truyền thông, việc sử dụng các giao thức định tuyến dự trên topo mạng không phù hợp(do cấu trúc mạng thay đổi nhanh và khi xe chuyển động với tốc độ cao thì có thể thất bại), ngay cả khi có đầy đủ các thiết lập Tuy nhiên, khi các nút chuyển động chậm, nghĩa là topo mạng ổn định, nhưng mật độ xe cộ lại cao, có kết quả khả thi hơn

• Mô hình chuyển động

VANET được đặc trưng bởi số nút di động (tức là theo tốc độ xe ô tô) Tính di động có thể ảnh hưởng ít hay nhiều dựa vào cấu trúc đường phố (đường phố nhỏ, đường cao tốc) Các xe không chuyển động lộn xộn, mà nó được xác định trước, thường theo hai hướng Thông thường có 3 loại đường:

- Đường thành phố: Trong thành phố, mật độ xe cao, có nhiều đường nhỏ, nhưng

cũng có nhiều đường lớn Nút giao thông phân cách thành nhiều phần Thông thường có nhiều tòa nhà bên đường nên truyền Adhoc có thể bị hạn chế

- Đường nông thôn: Những đường ở nông thôn thông thường lớn hơn ở thành phố,

ít các nút giao thông, ít các nhà cao tầng hơn thành phố Điều kiện giao thông thường không cho phép hình thành một mạng lưới vì ít xe trên đường

- Đường cao tốc: Đường cao tốc hình thành một con đường nhiều làn xe, trong đó

có phân đoạn rất lớn xã định lối ra của đường Ở đây lưu lượng truy cập tốc độ cao Một nút có thể nhanh chóng vào hoặc thoát ra khỏi mạng trong khoảng thời gian rất ngắn nên dân đến mạng phân vùng và thay đổi liên kết

• Mật độ nút cao

Ngoài tốc độ và mô hình di chuyển, mật độ nút cũng là một phần quan trọng của mạng xe cộ Trong một mạng, số lượng các xe trong khoảng hàng chục, thậm chí hàng trăm Nếu chsung ta bị kẹt xe trên đường cao tốc với 4 làn xe, mỗi xê cách nhau khoảng 20m và khoảng cách vô tuyến là 300m, về mặt lý thuyết mỗi xe sẽ có khoảng 120 xe trong phạm vi truyền dẫn của mình

Trong trường hợp mật độ rất thấp, không thể ngay lập tức mà có thể truyền tải được các bản tin Trong trường hợp này, có thể lưu trữ, chuyển tiếp thông tin khi xe gặp nhau

2.3.4 Cấu trúc hệ thống mạng VANET